El desafío y la promesa de las microherramientas

Jun 28, 2023

Es difícil hacer una herramienta de corte de solo un milímetro o menos de diámetro. También es un desafío utilizar una herramienta de este tipo. Pero cuando ambos lados de la ecuación lo hacen bien, los resultados son sorprendentes: características diminutas que no se pueden apreciar completamente sin un microscopio. Y las aplicaciones están creciendo.

Uwe Heinrich, gerente de desarrollo de nuevos negocios en Mastercut Tool Corp., Safety Harbor, Fla., observó que "las microherramientas juegan un papel muy importante en todas las industrias". Además de ejemplos obvios como placas de circuitos impresos y dispositivos e implantes médicos y dentales, Heinrich señaló la óptica, no tanto para cortar vidrio, sino para hacer los diminutos moldes necesarios para producir piezas.

Oliver Rapp, gerente de I+D de Ceratizit Group, con sede en Balzheim, Alemania, dijo que los clientes de Ceratizit utilizan microherramientas principalmente en las industrias médica, de construcción de maquinaria y de joyería. Sherry DePerno, presidenta y directora ejecutiva de Advanced Tool Inc., con sede en Marcy, Nueva York, dijo que las boquillas de combustible y los sujetadores de seguridad para la industria automotriz y aeroespacial son una gran parte de su mercado de microherramientas.

Brent Broderick, gerente sénior de cuentas estratégicas y especialista nacional de productos para herramientas redondas sólidas en ARCH Cutting Tools, Bloomfield Hills, Michigan, estuvo de acuerdo. Agregó que los sujetadores de acero inoxidable e Inconel en la industria aeroespacial son otro uso importante. Broderick también dijo que las fresas frontales son el tipo de herramienta de más rápido crecimiento, ya que la microperforación "casi se ha maximizado". Además, "cada vez más empresas están comenzando a utilizar fresas de extremo como herramienta de perforación". Explicó que para características como un agujero pequeño con un escariado, los avances en la tecnología de herramientas y máquinas herramienta hacen posible sumergir e interpolar un agujero, combinado con el escariado, utilizando una fresa de extremo especializada. Heinrich agregó que el fresado también puede producir un orificio más preciso que el taladrado. El enhebrado es, por supuesto, otra operación clave para estas herramientas.

Esta encuesta rápida apunta a un desafío crítico para el fabricante de herramientas: cómo optimizar mejor la geometría y el material de la herramienta para cada aplicación única, desde titanio y cromo molibdeno en implantes médicos hasta Inconels en boquillas aeroespaciales.

Como explicó Heinrich, "una clave en el mecanizado es siempre comprender las características de mecanizado de un determinado material. Por ejemplo, el aluminio es bastante blando, por lo que debería ser bastante fácil. Pero las características de mecanizado significan que normalmente tiene problemas como acumulaciones borde, donde el chip realmente aterrizaría en una parte de la flauta y con el tiempo quitaría la nitidez del borde de corte". Esto perjudica el acabado superficial de la pieza y conduce rápidamente a la rotura de la herramienta.

Heinrich contrastó esto con el titanio, con su bajo módulo de elasticidad. "Hay mucha vibración y, por lo general, tres veces la cantidad de calor porque el calor no se evacua en el chip. Por lo tanto, necesita una microherramienta que sea extremadamente resistente, con una geometría que reduzca la vibración y un revestimiento que pueda proteger contra el calor excesivo".

En resumen, Heinrich ve cuatro parámetros importantes en la creación de una microherramienta de alta calidad. Primero, necesita un diseño geométrico que se adapte a las características de mecanizado de la pieza de trabajo. En segundo lugar, se debe identificar el grado de carburo más adecuado. Tercero, esmerile la herramienta con la mejor superficie posible. Y por último, "rematar con un revestimiento adecuado". Para un implante dental hecho con zirconia, el mejor recubrimiento es "hacer crecer un cristal de carbono (es decir, un diamante) en el sustrato de carburo con CVD", agregó. Una aplicación de corte de metal puede tener un recubrimiento PVD completamente diferente.

Aunque todos los principales actores en este campo tienen productos estándar, la personalización se está volviendo común. Broderick ofreció el ejemplo de la necesidad de cortar una característica con una profundidad de 0,020" (0,5 mm). "Diseñaríamos una herramienta con una longitud de corte de 25 o 30 milésimas, frente a una herramienta estándar con, digamos, una longitud de dos milímetros de corte". Esto se debe a que, para un diámetro dado, una herramienta con una longitud de corte más larga sería más débil, en igualdad de condiciones. Y las microherramientas son inherentemente "suaves y quebradizas", dijo Broderick. "Si puede hacer que la herramienta sea específica para la aplicación, la mayoría de las veces puede superar con creces a un producto estándar listo para usar".

DePerno estuvo de acuerdo. "La forma más rápida y sencilla de ahorrar dinero y aumentar el rendimiento es modificar y optimizar la geometría, el sustrato y el revestimiento en función del desgaste de la herramienta de corte durante el uso. Un pequeño cambio en la geometría puede tener un gran impacto en el rendimiento". Es por eso que Advanced Tool utiliza una "inspección de 21 puntos de desgaste y rotura del borde para mejorar la geometría de la herramienta de corte. Esto nos dice exactamente cómo un cliente está usando la fresa, cuánto de la fresa está usando, qué está funcionando y qué está no."

Rob DePerno, director de operaciones y director de fabricación e ingeniería de Advanced Tool, explicó. Si, bajo gran aumento, ven que el usuario está "volando la esquina al entrar, podemos poner un radio de esquina allí, o reducir el ángulo de inclinación o el ángulo de hélice. Hay 21 pasos en el análisis, y muchas cosas más que se puede cambiar en una fresa de extremo. Es solo armar la fórmula correcta". Eso también podría significar recomendar otros cambios en el proceso. "Si la herramienta no se destruyó, podemos ver el descentramiento y el desgaste. Y si hay suficiente allí, podemos medir si el descentramiento está en la herramienta misma o en el portaherramientas... Si veo un desgaste desigual y la herramienta parece sean concéntricos, les digo que trabajen en sus soportes o en su huso antes de hacer cualquier otra cosa".

Habiendo dicho eso, aunque DePernos dijo que su análisis de desgaste realiza mejoras predecibles basadas en medidas específicas y sus años de experiencia, a menudo ofrecen al cliente hasta cuatro configuraciones nuevas para probar en la siguiente etapa. ¿Por qué? Porque es difícil estar seguro de qué funcionará mejor cuando hay tantos factores en juego. Y a medida que las herramientas se hacen más pequeñas, se vuelve cada vez más problemático aplicarles características geométricas especiales y medir su efectividad.

Los esfuerzos para amortiguar la vibración o mejorar el rendimiento han llevado a los fabricantes de herramientas a introducir características geométricas esotéricas como hélices variables, indexación desigual y alivio excéntrico en herramientas de corte de tamaño estándar. Pero es cuestionable hasta qué punto estas características pueden y deben aplicarse a las microherramientas. Broderick dijo que la división KEO Micro Tool de ARCH fabrica fresas de extremo de hasta 0,005" (0,1 mm) de diámetro con geometría estándar, y están "observando algunos aspectos de geometrías de alto rendimiento en ellas". A medida que avancemos, comenzaremos a utilizar alta tecnología, como hélice variable e índice variable".

Rob DePerno expresó escepticismo. Si bien Advanced Tool fabrica rutinariamente fresas modelo de hasta 0,015" (0,381 mm) con hélice variable e indexación, no recibe muchas solicitudes para analizar el desgaste de dichas herramientas. "Y", reflexionó, "si está fabricando herramienta [es decir, 0.015"] con una longitud de corte de 35 mil, ¿cuánto puede variar la hélice a lo largo de ese camino?" Sin embargo, informó Sherry DePerno, los clientes están ordenando herramientas con tales características. "Obviamente, están funcionando, porque la gente los está comprando. Pero a veces nos preguntamos si una geometría estándar habría funcionado igual de bien. En realidad, no se ha probado".

En cuanto a las herramientas más pequeñas, se vuelve físicamente difícil, si no imposible, agregar algunas de estas funciones, como explicó Ylli Hysenlika, directora de producción automatizada de Mastercut Tool Corp. Por ejemplo, mire el esfuerzo por crear un ángulo de ataque pronunciado para cortar aluminio. "Cuanto más pequeño sea, mayores serán esos ángulos debido a la naturaleza del proceso de acanalado. Pero luego, a medida que se acerca al rango de 50 µm, se vuelve muy difícil aplicar muchas características en la herramienta. Las características más comunes ya que estos diámetros pequeños son una flauta con una inclinación grande y una cara final con solo el corte y tal vez un alivio final. Tiene muchas menos opciones a medida que ingresa a las microherramientas muy pequeñas".

Quizás el factor más importante que permitió la creación de las herramientas más pequeñas de la actualidad fue la introducción de la afiladora de herramientas Nano de Rollomatic. Hysenlika atribuye a la tecnología una mejora de diez veces en el acabado de la superficie. "Son completamente hidrostáticos y cuentan con un cabezal de trabajo flotante", explicó. "Esto le permite utilizar un sistema de descanso estable de bloque en V perfecto, con un descentramiento de menos de 1 µm en la mayoría de los casos".

A pesar de lo buenas que son estas máquinas, Heinrich se apresuró a agregar que no se puede simplemente comprar un Nano, "enchufarlo y, de repente, convertirse en el campeón en el mundo de las microherramientas". El rectificado es una combinación de comprender los granos de carburo y cómo se relacionan con las capacidades de la herramienta, junto con la mejor manera de rectificar cada tamaño de grano. Dijo Hysenlika, "hay que comprender las geometrías de las herramientas, los recubrimientos y cómo revestir y preparar la muela abrasiva".

Don Babinsky, en su función de aplicaciones técnicas en Mastercut Tool Corp., dijo que las consideraciones sobre el refrigerante y la filtración del refrigerante también juegan un papel. "Vimos mejoras dramáticas en los acabados de rectificado al actualizar nuestro refrigerante". Heinrich agregó que mejorar el acabado de la superficie reduce las fuerzas de corte en la herramienta, mejora el rendimiento y también contribuye a una mejor adherencia del recubrimiento.

El refrigerante también figura en el uso final de estas herramientas, con microherramientas tan pequeñas como 0,8 mm de diámetro que a menudo presentan canales internos de refrigerante. Rapp dijo que las rectificadoras ahora son mejores para orientarse hacia estos orificios de refrigeración increíblemente pequeños mediante sensores ópticos. Y aunque está oculto para la amoladora, los fabricantes de piezas en bruto de carburo (entre los que se incluye Ceratizit) han aumentado el suministro de refrigerante al incorporar una cámara más grande en el mango de la herramienta (normalmente de 3 mm de diámetro), de la que emergen los diminutos canales hacia el diámetro de corte, añadió. .

Heinrich concluyó que, ya sea que se trate de equipos de rectificado, control de calidad, recubrimiento o cualquier cosa relacionada con el proceso, los fabricantes de microherramientas deben invertir mucho y estar al tanto de cada detalle para seguir siendo competitivos. "Una vez que estés detrás de la curva, será muy difícil regresar o estarás literalmente fuera. Las personas que quieran tener éxito en este espacio deben tener disciplina y compromiso para un futuro a largo plazo. Porque necesitas estar activo y comprometido en todos los aspectos para tener éxito", dijo.

Babinsky de Mastercut dijo que "el error más común que se comete al usar herramientas de diámetro pequeño, incluso relativamente grandes como 1/8" [3,175 mm] de diámetro, es la simple falta de suficiente velocidad del husillo". Si no está cortando con una superficie satisfactoria metraje por minuto, "va a crear un problema con el borde acumulado y el arrastre del material de la pieza de trabajo. La mayoría de los problemas de las personas desaparecerán drásticamente si pueden duplicar o triplicar sus rpm".

Los números se vuelven dramáticos cuando se consideran los diámetros de las microherramientas. "A modo de ejemplo, una fresa de extremo puede responder mejor a 200 sfm en un material dado", explicó Babinsky, "y esa superficie es tan importante para una herramienta de 0,005" (0,127 mm) de diámetro como lo es para una herramienta de un cuarto Fresa de extremo de pulgada en ese mismo material. Pero la dispersión en las rpm requeridas deja atónita la imaginación: 200 sfm equivalen a 3,056 rpm para una fresa de un cuarto de pulgada, mientras que una fresa de 0,005" calcula la enorme cantidad de 152,800 rpm. Esto ilustra el valor de las máquinas especializadas y/o del husillo especializado. opciones que pueden otorgar 100.000 rpm o más para impulsar correctamente una microherramienta".

La segunda precaución más importante, dijo Babinsky, es que "debe verificar el TIR e indicar la herramienta desde el vástago, en lugar del borde de corte. No desea tocar un borde de corte de carburo con un calibrador o una punta de circonio". si puede evitarlo, y eso es especialmente cierto con una microherramienta". Un preajuste óptico sería lo mejor, dijo.

Quizás no hace falta decir que el portaherramientas debe ser lo más rígido posible con microherramientas, con un mínimo absoluto de desviación y desequilibrio. Dijo Babinsky, "los soportes térmicos de ajuste por contracción podrían ofrecer uno de los mejores enfoques. Además, la industria ahora está viendo la disponibilidad de mandriles hidráulicos con un descentramiento de 3 µm y mandriles de boquilla de 1 µm en la punta delantera. En perspectiva, un glóbulo rojo mide aproximadamente 10 µm".

Broderick de ARCH dijo que la lubricación es vital con las microherramientas, y se prefiere la lubricación de cantidad mínima (MQL), que es una combinación de aire y refrigerante. El refrigerante de inundación es otra opción. Pero el refrigerante a alta presión sería desastroso, explicó. "Si tiene una fresa de cinco o diez mil y recibe refrigerante a alta presión, la romperá". Pero del mismo modo, si no tiene suficiente refrigerante o MQL, "no se necesita mucho para romper una microherramienta al volver a cortar las virutas".

Broderick agregó que el refrigerante debe estar bien filtrado para evitar la obstrucción de los canales de refrigerante. Rapp de Ceratizit sugirió que el "nivel de filtrado debe ser igual o inferior a 30 µm. Si es necesario, adapte sus valores de corte a la configuración de mecanizado para lograr una buena evacuación de la viruta. Si hay orificios pasantes, reduzca su velocidad de avance en un 50 por ciento antes de abandonar la pieza". para aumentar la estabilidad del proceso".

Broderick aplaudió los avances de CAD/CAM que no solo simulan una herramienta sino también una trayectoria. "Y puede calcular la carga de viruta. Y si conoce la geometría de la flauta, puede asegurarse de que la herramienta pueda realizar la profundidad de corte necesaria". Babinsky sugirió que dicho software también podría usarse para permitir técnicas de fresado de alta eficiencia (HEM), pero enfatizó que "HEM enfatiza rpm significativamente mayores e incluso pasos radiales más ligeros, los cuales ya son un desafío con diámetros tan pequeños".

Broderick predijo que "los avances tecnológicos en máquinas herramienta, portaherramientas, sustratos, recubrimientos y las piezas pequeñas que se mecanizan" contribuirán a la creciente demanda de microherramientas. Rapp dijo que "probablemente veremos que la profundidad de corte aumentará y los diámetros de corte disminuirán, lo que hace que las cosas sean mucho más difíciles". Pero también dijo que existe una "tecnología potencialmente nueva" que podría mejorar aún más la preparación de vanguardia. No reveló los detalles, pero dijo que su aplicación contribuiría a "un proceso de corte más estable" y una vida útil prolongada de la herramienta. Babinsky cree que veremos "recubrimientos de nanocompuestos de PVD más refinados, que apuntan no a rpm más rápidas, sino a objetivos de longevidad de herramientas".

Sherry DePerno, de Advanced Tool, prevé "geometrías cada vez más complejas en transición a una escala más pequeña. Ser creativo en la resolución de problemas es el nombre del juego. Esto incluye formas y geometrías complejas que resolverán cualquier desafío al que se enfrenten nuestros clientes".

A lo largo de esa línea, Babinsky predijo que el "éxito espectacular en el mecanizado de cinco ejes y el uso de cortadores de segmento circular de cilindro cónico" finalmente se trasladará a las microherramientas. "Uno no puede dejar de estar impresionado con los aumentos en las tasas de remoción de metal con cortadores de barril", dijo. "Creo que la fresa de extremo de punta esférica estándar eventualmente estará en soporte vital. Veo la introducción de cortadores segmentados de diámetro mucho más pequeño".

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