Microfresado De Aceros

Microfresado de Aceros H. Cáceres, L. Hernández, A. Suárez, J. Labarga, P. Rodríguez Área de Ingeniería de los Procesos de Fabricación. Escuela Superior de Ingeniería. Campus de Vegazana, s/n. 24071. León Telf.: 987 29 10 00 Ext.5362. e-mail: [email protected]

Resumen La miniaturización de productos de consumo, junto con los nuevos desarrollos en biomedicina e ingeniería aeroespacial, ha incrementado de manera drástica el uso de operaciones de micromecanizado. El microfresado ha demostrado ser un proceso de gran versatilidad y rapidez como procedimiento de arranque de material y generación de microestructuras, tales como la fabricación de micromoldes, máscaras para litografía de rayos X y una gran variedad de piezas y componentes. Las herramientas de diamante, ampliamente usadas porque proporcionan un buen acabado superficial, no son adecuadas cuando se trata de mecanizar acero por su alta afinidad con el hierro, razón por la cual es necesario investigar el comportamiento del material con microfresas de acero rápido. Este artículo muestra un acercamiento al microfresado de acero empleando fresas de 0,5 y 1 mm montadas en un centro de mecanizado convencional. Palabras Clave: Miniaturización, microfresado, fresado, acero rápido. Abstract The reduction in size of products, together with new developments in biomedicine and aerospatiale engineering , has increased very much the use of micromachining operations. Micromilling has proved to be a process with a great versatility and quickness as material removal procedure and generation of microstructures, such as manufacturing of micromoulds, masks for X-ray lithography and a great variety of parts and components. Diamond tools, widely used because produce a very good surface finish, are not adequated for when machining of steels, due to the chemical affinity with the iron. Research the material behavior for cutting with HSS tools is necessary. In this article an approach to the micromilling of steel is shown, using 0,5 and 1 mm diameter milling tools mounted on a conventional CNC machine. Keywords: miniaturising, micromilling, milling, High Speed Steel.

1. Introducción La miniaturización es una necesidad creciente al comienzo de este siglo y se están realizando grandes esfuerzos para su desarrollo, ya que cada vez mayor número de campos demandan microsistemas, tales como la fabricación de automóviles, informática, medicina, técnicas de medida, etc. Las técnicas actuales de fabricación de microsistemas son prácticamente las mismas que se aplican a la fabricación de circuitos integrados, y por ello son útiles en la fabricación de grandes series o de componentes en

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dos dimensiones. Sin embargo, cuando se precisan pequeñas o medianas series o componentes en tres dimensiones, las tecnologías convencionales están demostrando ser apropiadas y en particular el microfresado por ser un proceso económico y flexible [1]. Entre las técnicas convencionales de mecanizado que permiten su aplicación a escala micrométrica, y que han tenido un desarrollo notable en los últimos años, se pueden citar el microfresado, el microtorneado y el microtaladrado; entre las no convencionales se encuentran el mecanizado por rayos láser, por Electroerosión, por ultrasonidos, por Haz de iones y por Haz de Electrones [2]. La elección del microfresado como objeto de investigación se fundamenta en los siguientes hechos: la traslación del proceso convencional de remoción de viruta a escala micrométrica muestra un punto de partida al análisis muy prometedor, ofrece una gran variedad de posibilidades de mecanizado [3,4], es una tecnología flexible y económica si el tamaño del lote no es muy elevado [5] y es una técnica muy interesante para operaciones de microacabado, proceso con alta demanda en la industria. La investigación en microfresado se inicia en los años 60 y 70 con el mecanizado de ultraprecisión [6] que utilizaba exclusivamente el diamante como herramienta para obtener los acabados superficiales que eran necesarios. Sin embargo, la alta afinidad del diamante con el hierro hace imposible el uso de esta herramienta para el mecanizado de aceros.

La necesidad de utilizar el acero como material en la fabricación de

micropiezas, se justifica especialmente en la fabricación de micromoldes y máscaras para litografía de rayos X, componentes de gran importancia en la fabricación de microsistemas [7].

2. Comparación entre fresado convencional y microfresado En un primer análisis, desde los puntos de vista de la descripción del proceso, la geometría, la forma de las herramientas, el mecanismo de corte y la formación de viruta, el microfresado presenta muchas similitudes con el fresado convencional, pero en lo que respecta al comportamiento de esfuerzos y desgaste de la herramienta, sus comportamientos son muy disímiles.

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a) Como el diámetro de la herramienta es mucho más pequeño, la velocidad rotacional teórica requerida para conseguir la velocidad de corte recomendada está muy por encima de los límites técnicos de los husillos disponibles. b) En el micromecanizado, la relación entre el avance por diente/radio de la herramienta es mucho mayor que en el fresado convencional para obtener una productividad razonable, por ello la tensión en la microherramienta es mucho mayor, lo cual acorta la vida de la misma drásticamente. c) La desviación de la trayectoria en microfresado puede llegar a ser comparable al diámetro de las herramientas usadas.

La relación desviación de trayectoria (run-

out)/diámetro de la herramienta es mucho más grande en microfresado que en el macro. d) La carga de viruta es de lejos el factor más determinante en la rugosidad de la superficie. La interacción entre la velocidad de corte y la carga de viruta es muy significativa a escala micro. e) En el mecanizado convencional hay gran cantidad de procesos para eliminar las rebabas, que excepto por el coste, no representan un problema grande.

En el

micromecanizado las rebabas son muy difíciles de eliminar y los procesos convencionales no son fácilmente aplicables. f) Contrario al fresado convencional, no hay manuales de referencia útiles para determinar los parámetros óptimos de corte. Si las velocidades de corte convencionales para el aluminio se aplicaran al microfresado, la velocidad de rotación calculada sería de 700.000 rpm para una herramienta de 50 µm de diámetro, velocidad que sólo se alcanza con husillos especiales y a la cual es difícil obtener la exactitud requerida. Las fuerzas de corte en operaciones de mecanizado contienen una valiosa información sobre como se está produciendo el arranque de material. Una variación de la fuerza de corte es debida a una modificación de las condiciones de corte, y puede llevar asociado un empeoramiento de la calidad dimensional o del grado de acabado en la superficie de la pieza, así como un desgaste prematuro en la herramienta o incluso una rotura catastrófica de la misma. La monitorización de fuerzas en procesos de mecanizado para la macroescala ya se utiliza, permitiendo el diagnóstico del proceso en tiempo real y se utiliza como base de controles adaptativos de las condiciones de corte. Sin embargo, en el micromecanizado estos modelos aún no están definidos y las fuerzas medidas con

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dinamómetros específicos difieren en un valor muy alto de las calculadas teóricamente, como muestran los estudios realizados por Tansel y Bao [8-11].

Figura1. Geometrías obtenidas con microfresado [12]

3. Ensayos realizados Los ensayos fueron realizados en un centro de mecanizado B-500 de Kondia, el cono del eje portafresas ISO-40 permite el acople de las fresas pequeñas sin adicionar elementos que incrementen la inercia del husillo y la velocidad máxima es de 10000 rpm. El material mecanizado es acero F-2112, de dureza 32 HRC. Se emplearon fresas de 0,5 y 1 mm de diámetro, HSS-Co8, sin recubrimiento. Los objetivos de las pruebas fueron determinar el tiempo de vida de las fresas de 0,5 y 1 mm a diferentes avances y profundidades, comparar el acabado superficial alcanzado en cada avance, establecer la idoneidad del centro de mecanizado para pruebas de microfresado y analizar la influencia del avance y el tiempo de mecanizado en la formación de rebabas. Las operaciones tienen que ser desarrolladas de manera muy cuidadosa en cuanto al control y parámetros de corte para evitar vibraciones y otros efectos indeseables. Las pequeñas dimensiones de la herramienta hacen que a veces el desgaste, e incluso la rotura, no se detecten con facilidad y que por tanto, incluso horas de trabajo resulten desperdiciadas. En micromecanizado, es necesario determinar las condiciones de corte para cada material, con el fin de no provocar la ruptura a corto plazo de la herramienta. A pesar de que a bajos avances y poca profundidad de pasada el tiempo de la vida de la

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herramienta

se

puede

prolongar,

el

tiempo

de

mecanizado

aumentaría

considerablemente y los costes se dispararían.

4. Resultados obtenidos Las figuras 2 a 5 muestran los acabados obtenidos. A medida que avanza el tiempo de mecanizado, la fresa pierde el filo y el acabado superficial desmejora. La viruta, si no se remueve adecuadamente, añade una carga adicional a la punta de la fresa, generando esfuerzos de flexión. Sin un monitoreo directo de las fuerzas de corte, es imposible predecir el momento en que la fresa falla.

1mm Figura 2. Fly-cutting con fresa de 0,5 mm

Figura 3. Detalle mecanizado obtenido.

Figura 4. Rebabas generadas

Figura 5. Paredes debidas al run-out

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Se observa un excelente acabado superficial a pequeños avances (f ≤3 mm/min). A partir de este valor la altura de las rebabas empieza a hacerse más evidente (Fig. 4). Al conservar los valores de corte constantes, se obtuvieron vidas útiles de herramienta más altos: 94, 98 y 103 min. Con base en los parámetros observados y medidos: rugosidad, tiempos de mecanizado, rebabas, run-out y volumen de remoción de material, se obtuvieron las siguientes gráficas comparativas, en unos casos entre los dos diámetros empleados y en otros, patrones generales que describen el comportamiento durante el proceso. A pesar de que las mediciones fueron realizadas sobre mecanizados a la misma profundidad, es válido señalar que a menores avances el acabado superficial presenta una calidad mucho mejor (menor rugosidad) y que va decreciendo a medida que aumenta el avance, tal como lo muestra la figura 6.

Rugosidad vs Avance 0,4

Ra [micras]

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

1

2

3

4

5

6

D1: 0,5 mm

0,1

0,13

0,15

0,27

0,21

0,3

D2: 1 mm

0,11

0,15

0,19

0,26

0,28

0,34

f [mm/min]

Figura 6. Acabado superficial a diferentes avances.

Profundidad de pasada [mm]

Comparación de Parámetros 0,8 0,7

Rebabas

0,6 0,5

Rugosidad

0,4 0,3

Run-out

0,2 0,1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Avance [mm/min]

Figura 7. Comparación de parámetros.

Volumen de remoción

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Para la determinación de los parámetros óptimos de corte, se probaron variaciones del avance, la profundidad, la aplicación o no de refrigerante, la remoción o no de la viruta. La figura 7 compara los resultados obtenidos en cuanto a producción volumétrica, rebabas, run-out y acabado superficial. El comportamiento sigue siendo el mismo: a medida que aumenta el avance, aumenta la remoción de viruta, pero también la altura de las rebabas, el run-out y desmejora el acabado superficial, exactamente lo mismo que ocurre al aumentar la profundidad de pasada.

5. Conclusiones A pesar de que el cono del eje portafresas del centro de mecanizado permite acoplar elementos de sujeción de las fresas de 0,5 y 1 mm que no incrementan sustancialmente la inercia y que no se nota un aumento sustancial de las vibraciones durante el mecanizado, es evidente que sí afecta la exactitud posicional de la herramienta y por lo tanto el acabado superficial, demostrado en el aumento de las rebabas y la desviación dimensional (run-out). Los avances bajos proporcionan un buen acabado superficial pero el tiempo de operación es demasiado largo y puede ocasionar la falla de la herramienta por fatiga. A medida que aumenta el avance, aumenta la remoción de viruta, pero también la altura de las rebabas, el run-out y desmejora el acabado superficial. A medida que avanza el tiempo de mecanizado, la fresa pierde el filo y el acabado superficial desmejora. La viruta, si no se remueve adecuadamente, añade una carga adicional a la punta de la fresa, generando esfuerzos de flexión. Sin un monitoreo directo de las fuerzas de corte, es imposible predecir el momento en que la fresa falla. De igual manera, es casi imperceptible notar cuando se está mecanizando en vacío.

6. Referencias 1. M. Takács, B. Verö, I. Mészáros, Micromilling of metallic materials, Journal of Materials Processing Technology 6619 (2003), 1-4.

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2. T. Masuzawa, State of the Art of micromachining, Annals of the CIRP, 49, 2, (2000), 473-488. 3. C. Friedrich, P. Coane, J. Goettert, N. Gopinathin, Direct fabrication of deep x-ray lithography masks by micromechanical milling, Precision Engineering 22 (1998), 164173. 4. C. Friedrich, M. Vasile, Development of the Micromilling Process for High Aspect Ratio Microstructures, Journal of Microelectromechanical Systems 5(1) (1996), 33-38. 5. C. Friedrich, P. Coane, M. Vasile, Micromilling development and applications for microfabrication, Microelectronic Engineering 35 (1997) 367-372. 6. N. Taniguchi, Current Status in, and Future Trends of, Ultraprecision Machining and Ultrafine Materials Processing. Annals of the CIRP 32, 2, (1983), 573-582. 7. H. Weule, V. Hüntrup, H. Tritschler, Micro-Cutting of Steel to Meet New Requirements in Miniaturization, Annals of the CIRP 50/1 (2001) 61-64. 8. I. Tansel, O. Rodríguez, M. Trujillo, E. Paz, W. Li, Micro-end-milling – I: Wear and Breakage. International Journal of Machine Tools & Manufacture 38(1998) 1419-1436. 9. I. Tansel, M. Nedbouyan, M. Trujillo, Micro-end-milling – II: Extending tool life with a Smart Workpiece Holder (SWH). International Journal of Machine Tools & Manufacture 38(1998) 1437-1448. 10. I. Tansel, T. Arkan, W. Bao, N. Mahendrakar, B. Shisler, D. Smith, M. McCool. Tool wear estimation in micro-machining. Part I: tool usage-cutting force relationship. International Journal of Machine Tools & Manufacture 40 (2000) 599-608. 11. I. Tansel, M. Trujillo, A. Nedbouyan, C. Vélez, W. Bao, T. Arkan, B. Tansel. Micro-end-milling – III: Wear estimation and tool breakage detection using acoustic emisión signals. International Journal of Machine Tools & Manufacture 38 (1998) 1449-1466. 12. D. Spath, T. Konold Mikrozerspanung. Eine interessante Alternative zur Herstellung von Mikrobauteilen, wt-Produktion und Management 86 (1996), 579-582