ES2200733T3 - Un procedimiento para realizar orificios en materiales compuestos reforzados con fibras usando una herramienta de corte con cabezal cortador que tiene un gran diametro y una altura reducida. - Google Patents
Un procedimiento para realizar orificios en materiales compuestos reforzados con fibras usando una herramienta de corte con cabezal cortador que tiene un gran diametro y una altura reducida.Info
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Abstract
Un procedimiento para realizar un orificio en una pieza de material compuesto, estando reforzada la pieza por una pluralidad de fibras y teniendo una superficie, teniendo el orificio un eje longitudinal, un primer diámetro y una profundidad, comprendiendo el mencionado procedimiento las etapas de: proveer una herramienta de corte que tiene un árbol, un cabezal cortador y un eje de rotación, teniendo el cabezal cortador un segundo diámetro el cual es sustancialmente menor que el primer diámetro del orificio que es realizado, teniendo el árbol un tercer diámetro el cual es sustancialmente menor que el segundo diámetro del cabezal cortador, teniendo el cabezal cortante una altura que es sustancialmente menor que la profundidad del orificio que es realizado; orientar la herramienta de corte de tal forma que el eje de rotación de la herramienta de corte está sustancialmente ortogonal a la superficie de la pieza; y mecanizar simultáneamente la pieza, tanto en dirección axial como radial respectodel eje longitudinal del orificio, haciendo rotar simultáneamente la herramienta de corte alrededor del eje de rotación, desplazando la herramienta de corte en una dirección axial, y desplazando la herramienta de corte excéntricamente alrededor del eje longitudinal del orificio.
Description
Un procedimiento para realizar orificios en
materiales compuestos reforzados con fibras usando una herramienta
de corte con un cabezal cortador que tiene un gran diámetro y una
altura reducida.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para realizar un orificio o una cavidad en una pieza
de material compuesto.
La estructuras para aplicaciones aerospaciales y
otras están constituidas a menudo por finas envolturas curvadas de
diferente material tal como el aluminio, titanio, acero inoxidable
y materiales compuestos reforzados de fibra. En aplicaciones
estructurales se fijan a menudo diferentes componentes mediante el
uso de juntas de pernos. Los orificios de pernos para estructuras
aerospaciales son típicamente de entre 4-20 mm de
diámetro con requisitos de gran calidad para garantizar la
integridad de la estructura.
Los requisitos de orificio están relacionados con
la dimensión y el daño, Los requisitos de dimensión incluyen, por
ejemplo el diámetro de orificio cilíndrico, la altura de la parte
cilíndrica del orificio, el diámetro y el ángulo de fresas, la
redondez y la alineación con la dirección normal de la superficie.
Los requisitos relacionados con los daños incluyen, entre otros,
la posibilidad de una altura de rebaba, el acabado de superficie, y
respecto de los materiales compuestos reforzados con fibras, la
posibilidad de delaminación.
Se dan problemas particulares cuando se perforan
orificios en materiales compuestos reforzados con fibras. Se conocen
generalmente materiales compuestos poliméricos desde los años 1950.
Estos materiales están compuestos por un polímero protector y de
unión, bien un termoplástico o un plástico termoendurecedor,
normalmente denominado la matriz, junto con las fibras (por ejemplo
fibras de vidrio, carbono o amida), que pueden ser consideradas como
un material de refuerzo. Las fibras pueden ser continuas y estar
orientadas en direcciones específicas, o pueden ser relativamente
cortas y dispuestas aleatoriamente en la matriz. Los materiales
compuestos con fibras continuas y orientadas proporcionan productos
con propiedades mecánicas superiores a las del polímero y los
materiales metálicos convencionales, especialmente en lo relativo a
su resistencia relacionada con el peso y a la rigidez. Los
materiales compuestos con fibras cortas encuentran una aplicación
donde se requieren las propiedades de menos demanda. Un factor que
impide un mayor uso de materiales compuestos es la ausencia de
procedimientos efectivos de mecanizado por corte. Las propiedades
físicas y químicas de los materiales compuestos significan que los
procedimientos conocidos de mecanizado no pueden generalmente
aplicarse con resultados satisfactorios.
Los productos que consisten en material compuesto
contienen a menudo orificios para diversos fines. Se pueden
necesitar estos orificios, por ejemplo, para permitir la
instalación de, líneas de servicio, ensamblado o inspección. Ambos
orificios son de una categoría particularmente importante de
orificio. Las estructuras para aplicaciones prácticas se construyen
a menudo a partir de componentes unidos para producir un producto
acabado. El objetivo de la junta es transferir la carga de un
elemento estructural a otro. Una forma común de unir es la conexión
por pernos, en la que la carga se transfiere bien por cargas de
cizallado o cargas de tensión en el perno. La fuerza de una conexión
por pernos está influida en un grado considerable por la calidad y
la precisión del orificio. Se puede hacer referencia a tres áreas
problemáticas particulares cuando se producen orificios en
materiales compuestos reforzados con fibras basadas en polímero.
- 1.-
- Baja resistencia interlaminar. Cuando le mecanizan materiales compuestos laminados, existe un riesgo de separación de capas (delaminación) a causa de la baja resistencia interlaminar. Un daño de delaminación extensiva puede comprometer la resistencia del laminado.
- 2.-
- Baja resistencia al calor y al frío de algunos termoplásticos. El calor generado durante el mecanizado puede hacer que la matriz se ablande y bloquee la herramienta, haciendo entonces imposible el mecanizado. Con el fin de llevar a cabo una buena calidad de orificio, es necesario por consiguiente proporcionar una refrigeración efectiva de la herramienta/borde del orificio, y retirar continuamente del orificio el material eliminado por corte (virutas, astillas, y polvo de abrasión).
- 3.-
- gran resistencia al desgaste de las fibras. El mecanizado por corte de los materiales compuestos de fibras produce graves desgastes de la herramienta a causa de las buenas características de desgaste de los materiales de fibras. Esto conduce a grandes costes de desgaste, especialmente cuando se producen orificios con un requisito de alta precisión.
Los procedimientos utilizados para producir
orificios en laminados compuestos son la perforación, el taladro, la
trituración, el aserrado y la rectificación. Los problemas asociados
a estos procedimientos de realización de orificios tal como se
aplican en la actualidad no son suficientemente efectivos por
diversas razones desde un punto de vista técnico/económico.
Los altos costes de desgaste son un problema
general asociado al mecanizado por corte donde se requiere gran
precisión. Se ha de tener gran cuidado cuando se perfora o taladra
para garantizar que se evita el daño de delaminación tanto en el
lado de entrada como en el de salida. Se requieres cortadores
especiales para llevar a cabo la calidad estipulada de orificio, y
se pueden formular procedimientos especiales. Con el fin de evitar
un daño de delaminación excesivo en el lado de la salida del
laminado, se puede aplicar una presión lateral local alrededor del
borde del orificio. Otro procedimiento anteriormente descrito para
la protección de daños el lado de salida es proporcionar al laminado
una capa de protección adicional.
El aserrado es un procedimiento muy inapropiado
para producir orificios con requisitos de gran precisión. Cuando se
producen orificios por rectificación, se hace uso de un cuerpo
tubular de forma cilíndrica, cuyo extremo de mecanizado está
revestido con una capa de superficie resistente al desgaste. Los
orificios se producen puliendo la superficie del material de manera
transversal haciendo, en primer lugar que el cuerpo rectificador
gire. El procedimiento es lento y proporciona una baja precisión. A
través del documento WO 93/23192 se presenta un procedimiento para
formar orificios sin daño en el material reforzado con fibras
escariando un orificio preformado, conjuntamente con el cual el eje
de rotación de un cuerpo rectificador está orientado ortogonalmente
a la dirección longitudinal de las fibras en el borde del orificio.
El procedimiento propuesto también difiere de los procedimientos
de mecanizado de orificio por modificación de superficie
anteriormente descritos en que el volumen de material retirado por
corte es considerablemente mayor. En el caso de la formación de
orificios por retirada radial de material, el volumen de material
retirado por corte es proporcional al cambio de radio antes y
después del mecanizado. En el caso de mecanizado tradicional por
modificación de superficie, la profundidad de perfil del borde del
orificio, proporciona una medida característica de este cambio de
radio. Cuando se mecaniza mediante el procedimiento propuesto, la
extensión radial de cualquier daño define un límite inferior para la
diferencia de radio antes y después de mecanizar. Este límite
inferior es en general considerablemente mayor que la profundidad de
perfil del borde del orificio. Se apreciará de lo anterior que la
dimensión de orificio preformado difiere significativamente en
comparación con el orificio preformado. Una debilidad económica de
producción asociada a este procedimiento es el hecho de que
la
presencia de que se requiere un orificio preformado.
presencia de que se requiere un orificio preformado.
Se debería subrayar a este respecto que los
procedimientos de mecanizado de orificios, en los que un cuerpo
accionado giratoriamente alrededor de un eje de rotación también
hace que se ejecute un movimiento orbital (es decir, el eje de
rotación se desplaza de tal manera que el lado puede moverse
respecto del borde del orificio) son generalmente familiares. El
documento SE 173 899 presenta una máquina herramienta que tiene un
portaherramientas que gira excéntricamente sobre un eje principal,
en el que la distancia entre el portaherramientas y el eje principal
se puede ajustar. El ajuste de la distancia entre el
portaherramientas y el eje principal utiliza componentes guías, que
giran alrededor del eje principal junto con el portaherramientas. El
componente guía que gira junto con el portaherramientas y que se
ejecuta como una leva capaz de girar alrededor de éste respecto del
portaherramientas, con el perfil de guiado de dicha leva el
portaherramientas está directamente enganchado. Las ventajas de la
invención incluyen, entre otros, la ausencia de juego libre y la
ejecución de ahorro de espacio del componente guía. El documento SE
382 506 describe una herramienta de corte combinada accionada
giratoriamente para hacer orificios en piezas estacionarias, dichos
orificios pueden ir provistos con un chaflán de partida cónico.
En la patente de los Estados unidos nº 5.641.252
(que corresponde al documento WO 94/1142) hay un procedimiento para
mecanizar orificios en un material compuesto reforzado con fibras
que presenta un paso significativo hacia delante en la técnica. El
eje central del orificio pasa a través de un punto predeterminado en
la superficie de la pieza y está orientado en una determinada
dirección respecto de las direcciones longitudinales de las fibras
en la cercanía inmediata del punto. El material se mecaniza
simultáneamente tanto en un sentido axial como en un sentido radial
haciendo que la herramienta describa un movimiento axial y gire no
sólo alrededor de su propio eje, sino también excéntricamente
alrededor del eje central. Este procedimiento hace posible mecanizar
orificios sin causar delaminación en el material compuesto. Los
problemas significativos a los que se enfrenta este procedimiento
conocido son mencionados además conjuntamente con la técnica
anterior como se ilustra más adelante en las figuras
1-4.
El documento
SE-B-400 916 presenta una
herramienta para el mecanizado de orificios en acero. La herramienta
de corte tiene un cabezal cortador cónico con una punta afilada en
el extremo distal. La superficie de mecanizado de la herramienta
forma un ángulo de aproximadamente 30 grados con el eje longitudinal
de la herramienta y un ángulo de aproximadamente 60 grados con el
fondo del orificio que se está realizando. Tal cabezal cortador
tiene tendencia a producir orificios con mayores diámetros en las
partes superiores de los orificios que en el fondo.
Las estructuras aeroespaciales relacionadas están
típicamente constituidas por diferentes materiales apilados juntos.
Se producen problemas particulares cuando estructuras coperforadas
que incluyen diversas capas de diferentes materiales (pilas de
materiales). Tales problemas incluyen las rebabas entre las capas
los orificios muy cercanos, y el daño en el material filtrante entre
capas (material líquido de relleno). Perforar orificios usando
técnicas tradicionales se genera calor que pueden producir un
desgaste rápido de la herramienta. Este problema es particularmente
pronunciado cuando se perforan orificios en titanio.
Otros ejemplos de la técnica anterior
proporcionados por las patentes de los Estados Unidos con nº
4.190.386, 4.338.050, 5.685.674 y 4.757.645 que describen
procedimientos para producir orificios en materiales compuestos y
por el documento GB-A-2 048 135, que
describe un procedimiento de mecanizado de un orificio preformado
con la dimensión/geometría deseada.
La presente invención elimina los defectos y las
limitaciones asociados a los procedimientos descritos anteriormente
y permite una producción racional y con una buena relación de coste
de los orificios, sin riesgo de que se reduzca la resistencia, ni
rebabas, y de este modo se garantiza repetidamente una buena calidad
de orificios.
El procedimiento de la presente invención se
caracteriza por las características de la reivindicación 1
independiente adjunta.
El movimiento giratorio excéntrico es
preferiblemente un movimiento estrictamente giratorio, es decir se
ejecuta con una distancia constante entre el eje central y el eje
de rotación de la herramienta.
El movimiento giratorio excéntrico se ejecuta
preferiblemente con incrementos lineales, es decir, con distancias
variables entre el eje central y el eje de rotación de la
herramienta.
El procedimiento exhibe una serie de ventajas
sustanciales comparadas con técnicas generalmente familiares:
- 1.-
- El procedimiento permite la producción de orificios que tienen diámetros constantes o uniformes a lo largo de sus profundidades.
- 2.-
- El procedimiento permite la producción de orificios sin daño reductor de resistencia ni rebabas.
- 3.-
- El procedimiento permite la producción de orificios libres de daño sin tener que preformar primeramente un orificio.
- 4.-
- El procedimiento permite la producción de orificios con tolerancias muy reducidas. La precisión dimensional del orificio se determina sustancialmente por la precisión de posicionamiento de la herramienta respecto de un eje central. Los requisitos impuestos en la geometría de la herramienta no son, por otra parte, particularmente altos, ya que cada herramienta individual se calibra simplemente antes de ser usada.
- 5.-
- El procedimiento reduce el riesgo de que la herramienta se bloquee. Puesto que el diámetro de la herramienta es sustancialmente menor que el del orificio, el procedimiento permite que el material retirado por corte sea llevado aparte por medios sencillos, por ejemplo con aire comprimido. El procedimiento también permite un enfriamiento efectivo de la herramienta y el borde del orificio.
- 6.-
- El procedimiento reduce sustancialmente el coste del desgaste comparado con los procedimientos descritos anteriormente gracias a la capacidad de revestir la herramienta con material resistente al desgaste, por ejemplo un revestimiento de diamante.
Las características y ventajas anteriormente
mencionadas así como otras de la invención, y el modo de
alcanzarlas, será más evidente y la invención se entenderá mejora
con referencia a la siguiente descripción de una realización de la
invención, tomada conjuntamente con los dibujos anexos, en los
que:
La figura 1 es una vista superior de una lámina
de material compuesto reforzado con fibras con las principales
direcciones marcadas de las fibras de refuerzo.
La fibra 2 es una vista en sección, en
perspectiva a través de la lámina de la figura 1.
La figura 3 es una vista fragmentada en
perspectiva de una herramienta de corte de la técnica anterior.
La figura 4 muestra una sección fragmentada
lateral de un procedimiento de la técnica anterior para producir un
orificio en la lámina según la figura 1, usando un ejemplo de una
herramienta de corte de la técnica anterior de la figura 3.
La figura 5 muestra una sección fragmentada
lateral de una realización del procedimiento de la presente
invención para producir un orificio en una pila de material
compuesto que contiene la lámina según la figura 1.
La figura 6 es una vista superior del
procedimiento de la figura 5.
La figura 7 es una vista lateral fragmentada de
una herramienta para ejecutar otra realización del procedimiento de
la presente invención.
La figura 8 es una vista inferior de la
herramienta mostrada en la figura 7.
La figura 9 es una vista frontal de otra
realización de una herramienta de corte para ejecutar el
procedimiento de la presente invención.
La figura 10 es una vista ampliada del cabezal
cortador de la herramienta mostrada en la figura 9.
La figura 11 es una vista lateral de la
herramienta mostrada en la figura 9.
La figura 12 es una vista frontal de otra
realización de una herramienta de corte para ejecutar el
procedimiento de la presente invención.
La figura 13 es una vista ampliada del cabezal
cortador de la herramienta mostrada en la figura 12.
La figura 14 es una vista frontal de otra
realización de una herramienta de corte para ejecutar el
procedimiento de la presente invención.
La figura 15 es una vista ampliada del cabezal
cortador de la herramienta mostrada n la figura 14; y
La figura 16 es una vista frontal de otra
realización de una herramienta de corte para ejecutar el
procedimiento de la presente invención.
Los caracteres de referencia correspondientes
indican las partes correspondientes a lo largo de todas las diversas
vistas. Las ejemplificaciones indicadas en la presente memoria
ilustran de alguna manera, una realización preferida de la
invención, y tales ejemplificaciones no se han de construir en modo
alguno con limitaciones del marco de la invención.
Haciendo ahora referencia a los dibujos y
particularmente a las figuras 1 y 2, un laminado compuesto reforzado
con fibras 10 está constituido a partir de una serie de laminas
(capas) 12 con fibras continuas, dichas láminas se apilan la una
sobre la otra. En el ejemplo ilustrativo, las fibras descansan
orientadas en planos paralelos con el plano del laminado. Las
direcciones de las fibras (0,90, +45 y -45 grados) se ilustran
esquemáticamente en la figura 1. La figura 2 muestra una placa 10
que tiene cuatro láminas 12. La lámina superior 12 muestra tener
fibras orientadas en una dirección de +45 grados. Cada una de las
tres capas de fondo tiene una dirección correspondiente de las otras
tres direcciones posibles (0, 90 y -45 grados). Como se puede ver en
el lado de la placa 10 mostrada en la figura 2, una fibra de la capa
inferior 12 tiene una dirección de 90 grados, Igualmente, una fibra
de la capa 12 directamente por encima de la capa de fondo (la
tercera capa por abajo) se muestra en la vista frontal como
teniendo una dirección de 0 grados. De este modo, la segunda capas
de abajo tiene la dirección restante de 45 grados.
En la figura 4 se muestra un procedimiento de la
técnica anterior para producir un orificio 14 en una placa 10. Se
muestra la placa 10 formándose a partir de material compuesto
reforzado con fibras que tiene diversas capas. La placa 10 está
dispuesta en la parte superior de las capas 15 y 17, que pueden
estar formadas, por ejemplo, de titanio y aluminio, definiendo de
este modo juntamente un material compuesto de fibras/metal/metal. En
la figura 3 se muestra una herramienta de corte 16 de la técnica
anterior sustancialmente cilíndrica en su estado cuando no se usa.
La herramienta de corte 16 incluye una superficie de mecanizado
axial 18 y una superficie de mecanizado radial 20. La herramienta de
corte 16 tiene un diámetro sustancialmente menor que el diámetro
del orificio 14 que produce la herramienta de corte 16. Cuando la
herramienta de corte 16 mecaniza o corta en un lado 22 del orificio
14, el lado 22 del orificio 14 ejerce una fuerza radial F_{r}
sobre la superficie de mecanizado radial 20 de la herramienta de
corte 16. La fuerza radial F_{r} curva y/o desvía el extremo de
mecanizado y la herramienta de corte 16 hacia el medio del orificio
14, ya que el espacio abierto dentro del orificio 14 no ejerce
ninguna fuerza radial de oposición sobre la herramienta 16. El
curvado y/o el desvío de la herramienta 16, exagerado en la figura 4
por razones ilustrativas, da como resultado el extremo superior del
lado 22 que se está mecanizando con un mayor grado que el extremo
inferior del lado 22. Por consiguiente, el lado 22 se inclina hacia
fuera desde el fondo hasta la parte superior. Dicho de otro modo,
el orificio 14 es ligeramente cónico, ya que el diámetro en la
parte superior del orificio 14 es mayor que el diámetro del
orificio en el fondo del orificio 14. Esta condición no es deseable
porque se requiere un diámetro constante o uniforme a lo largo de
todo un orificio en muchas aplicaciones. El problema es
particularmente significativo cuando se mecanizan orificios
profundos con herramientas de pequeño diámetro.
La herramienta de corte del documento
SE-B-400 916 causaría también los
mismos tipos de problemas que se describen anteriormente. La
herramienta de corte tiene un cabezal cortador cónico con una punta
afilada en el extremo distal. Debido al diseño del cabezal
cortador, está claro que la herramienta no es apropiada para
mecanizar orificios de diámetro lineal en láminas relativamente
finas ya que la altura del cabezal cortador no es sustancialmente
inferior a la profundidad del orificio que se produce. En tal
caso, la longitud del borde en contacto con la pieza a mecanizar
variará a través del proceso de mecanizado. La base del cabezal
cortador cónico parece tener un diámetro sólo mínimamente más grande
que árbol concéntrico al cual está fijada. Cualquier desvío del
cabezal cortador en una dirección radial daría como resultado el
árbol de la herramienta de corte que entra en contacto con el lado
del orificio, dando como resultado un ensanchamiento de la parte
superior del orificio tal como se describe anteriormente. De este
modo, la herramienta no es apropiada para mecanizar orificios
profundos con herramientas de pequeño diámetro. Donde se espera un
desvío significativo. Exacerbando el problema se encuentra un
manguito que rodea una parte del árbol. Este manguito aumenta
efectivamente el diámetro del árbol respecto del de la base del
cabezal cortador, o incluso es mayor,, incrementado de este modo la
probabilidad de mecanizar accidentalmente la parte superior del
orificio.
Se muestra un procedimiento de la presente
invención para producir un orificio 24 en la placa 1º dispuesta en
la parte superior de las capas 15 y 17 en la figura 5. Una
herramienta de corte 26 incluye un árbol 28 y un cabezal cortador 30
sustancialmente concéntrico, cada uno de los cuales tiene una
sección transversal sustancialmente circular (figura 6). El término
"cortar", tal como se usa en la presente memoria descriptiva,
se entiende ampliamente que significa cualquier operación de
mecanizado para retirar material, tal como cortar, rectificar,
rellenar, etc. El cabezal cortador 30 incluye una superficie 32 de
mecanizado axial y una superficie 34 de mecanizado radial, cada una
de las cuales está provista con una superficie de corte o de
rectificado con una superficie resistente al desgaste 35 que puede
incluir carburo de tungsteno o diamante. El cabezal cortador 30
tiene un diámetro o anchura sustancialmente menor que el diámetro
del orificio 24 que produce el cabezal cortador 30. Por ejemplo, el
diámetro del cabezal cortador 30 puede ser aproximadamente de entre
el 50 y el 80% del diámetro del orificio 24, dicho diámetro de
orificio puede variar aproximadamente entre 4 y 25 mm. Además, el
cabezal cortador 30 tiene un radio r_{c} sustancialmente superior
a un radio r_{s} del árbol 28. La diferencia radial requerida
entre el cabezal cortador y el árbol depende del desvío radial de la
herramienta de corte y la profundidad del orificio. La superficie de
mecanizado radial 34 del cabezal cortador 30 tiene una altura h
sustancialmente inferior a una profundidad d del orificio 24. La
altura h requerida se determina mediante la velocidad de avance
axial y la velocidad de la rotación excéntrica. Por ejemplo, la
altura h puede estar entre 0'7 y 3 mm. La profundidad d del orificio
24 puede variar aproximadamente entre 1 y 6 veces el diámetro del
orificio 24. De este modo, la profundidad d puede estar
aproximadamente entre 4 y 152 mm. Para el árbol 28 es posible
incluir un bisel 38 (mostrado en las líneas fantasmas en la figura
5) que proporciona una transición gradual entre el radio r_{c} y
el radio r_{s} y proporcionando de este modo también una rigidez
de curvado añadida a la herramienta de corte 26.
Durante el proceso de mecanizado, puesto que el
radio r_{c} del cabezal cortador 30 es sustancialmente superior a
un radio r_{s} del árbol 24 se evita que el árbol 28 entre en
contacto con el lado 36 del orificio 24. Ya que la herramienta de
corte 26 mecaniza o corta en el lado 36 del orificio 24, el lado 36
del orificio 24 ejerce una fuerza radial F_{r} sobre la
superficie de mecanizado radial 34 de la herramienta de corte 26,
de manera similar al procedimiento de la técnica anterior de la
figura 4, salvo que el lado 36 no ejerce directamente una fuerza
radial sobre el árbol 28. Incluso si el árbol 28 se desvía en alguna
medida, el menor radio del árbol 28 evita que el árbol 28 entre en
contacto con el lado 36.
Además, a causa de la relativa delgadez del
cabezal cortador 30, cada punto particular sobre el lado 36 está en
contacto con la superficie 34 de mecanizado radial para una cantidad
aproximadamente igual de tiempo en el transcurso de la producción
del orificio 24, asumiendo una velocidad sustancialmente constante
de avance axial. Dicho de otro modo, una vez que el cabezal cortador
30 ha pasado por un punto particular en el lado 36 del orificio 24,
la herramienta de corte 26 no entrará de nuevo en contacto con ese
punto del lado 36. Puesto que se evita que el árbol 28 entre en
contacto con el borde del orificio y que la altura h del cabezal
cortador 30 es relativamente pequeña, la fuerza radial F_{r} es
aproximadamente constante a lo largo de todo el proceso. Esto da
como resultado el orificio 2, que tiene un diámetro sustancialmente
constante y uniforme a lo largo de la profundidad d.
Además, la relativa delgadez del cabezal cortador
30 da como resultado un área de superficie menor de la herramienta
de corte 26 que está en contacto con un lado 36 del orificio 24. En
vez de una longitud de la herramienta de corte equivalente a la
profundidad d que está en contacto con el lado 36, solamente se
presenta una altura h para engancharse con el lado 36. Esta área de
superficie menor conduce a una presión lateral proporcionalmente
mayor que se ejerce contra el lado 36 del orificio 24, que de este
modo forma mejor y más uniformemente el lado 36. Es decir, la
máquina que acciona la herramienta de corte 26 aplica tanto una
carga axial como una carga lateral a la herramienta de corte 26 de
un valor predeterminado. La presión resultante (por ejemplo
Kg/cm^{2}) ejercida contra el lado 36 por el cabezal cortador 30
es una función de la fuerza aplicada lateralmente dividida por el
área en contacto entre la herramienta de corte 26 y el lado 36. Con
una mayor área en contacto entre una herramienta de corte
convencional 16 y el lado 36, la presión lateral resultante ejercida
contra el lado 36 con fines de corte es menor. Por otra parte,
proporcionando al cabezal cortador 30 una altura h relativamente
pequeña, el área de superficie en contacto entre el lado del
cabezal cortador 30 y la pared lateral 36 es relativamente pequeña,
y la presión lateral resultante ejercida contra el lado 36 para el
corte lateral es mayor.
Si la altura h es suficientemente pequeña, la
fuerza radial F_{r} será sustancialmente constante a lo largo de
todo el proceso de mecanizado puesto que la altura total h estará en
contacto con el lado del orificio. El desvío de la herramienta de
corte también será sustancialmente constante, dando como resultado
un orificio sustancialmente cilíndrico. Sin embargo, si la altura h
no es pequeña, entonces la fuerza radial F_{r} variará, ya que
una parte cada vez mayor de la altura h entra en contacto con el
lado del orificio. El desvío de la herramienta de corte variará en
este caso, dando como resultado un orificio cónico. Si se
proporcionase a una herramienta de corte una altura h
suficientemente pequeña, pero que el diámetro del árbol fuese igual
al diámetro del cabezal cortador, entonces la fuerza radial F_{r}
en el cabezal cortador seguiría siendo constante, pero el árbol
entraría en contacto con el lado del orificio. Este contacto daría
como resultado la variación del desvío de la herramienta de corte y
por lo tanto, un orificio cónico.
En otra realización del proyecto de la presente
invención, se proporciona a una herramienta de corte 40 (figura 7)
un cabezal cortador 42 en forma de una cuchilla estrecha que
contiene al menos un borde cortante 43. La cuchilla 42 tiene una
anchura o dimensión w (figura 8) que es mayor que el radio r_{s}
del árbol 28, de manera que sólo una superficie de mecanizado
radial 34 de la cuchilla 42 está en contacto con el lado de un
orificio que se está realizado. Las aristas de corte 43 podrían
posiblemente retorcerse o curvarse cuando se ven a lo largo del eje
de rotación de la herramienta. El término "anchura", tal como
se usa en la presente memoria descriptiva, está destinado a
significar una dimensión de corte efectiva de la herramienta de
corte en una dirección sustancialmente perpendicular al eje
longitudinal de la herramienta de corte, sin tener en cuenta si el
cabezal cortador tiene forma de una amoladora, una única cuchilla de
corte, una pluralidad de cuchillas de corte, etc.
Se muestran herramientas de corte de otras
realizaciones del procedimiento de la presente invención en las
figuras 9-15. Las alturas h de los cabezales
cortadores de estas herramientas son todas pequeñas comparadas tanto
con la profundidad del orificio que se está mecanizando como con las
anchuras de los cabezales cortadores. Los cabezales cortadores de
las herramientas de las figuras 12-15 tienen
superficies de mecanizado axial con formas distintas de la plana.
Más en particular, la herramienta de las figuras 12 y 13 tiene una
superficie de mecanizado axial 48 que se inclina ascendentemente
hacia la superficie de mecanizado radial. Igualmente, la herramienta
de las figuras 14 y 15 tiene una superficie de mecanizado axial 50
que tiene forma convexa. También sería posible una superficie de
mecanizado axial con forma cóncava.
En la figura 16 se muestra una herramienta de
corte de otra realización de la presente invención. La herramienta
de corte 52 incluye una fresa íntegramente diseñada 54 que
interconecta un cabezal cortador 56 y un árbol 58. Un borde biselado
60 de la fresa 54 produce un ensanchamiento avellanado 62 del
orificio 64.
El orificio 24 se produce posicionando al menos
una herramienta de corte 26 excéntricamente respecto del eje central
del orificio en cuestión. Conjuntamente con esto, el laminado está
orientado de tal manera que un eje de rotación 46 de la herramienta
es ortogonal a las direcciones longitudinales esenciales de las
fibras. El material se mecaniza en un sentido axial y en un sentido
radial haciendo que la herramienta ejecute un movimiento axial y
gire, no solamente alrededor de su propio eje, sino que también lo
hace excéntricamente alrededor del eje central. El procedimiento de
la presente invención también se puede usar para ensanchar un
orificio existente.
Las herramientas de acuerdo con las figuras
5-16 están principalmente destinadas a la producción
de orificios cilíndricos por el procedimiento según la
invención.
El procedimiento de la presente invención se
puede aplicar no solamente a materiales compuestos reforzados con
fibra, sino también en una realización alternativa a materiales
compuestos de metal que incluyen materiales compuestos reforzados
con metal, materiales compuestos de metal-metal y
materiales compuestos de metal-fibras.
Claims (10)
1. Un procedimiento para realizar un orificio
(24, 64) en una pieza de que hay que mecanizar de material
compuesto (10, 15, 17), teniendo el orificio (24, 64) que hay que
producirse un primer diámetro y una profundidad, comprendiendo el
mencionado procedimiento las etapas de:
Proveer una herramienta de corte (26; 40; 52) que
tiene un árbol (28; 58), un cabezal cortador (30; 42; 56) en un
extremo distal del árbol y un eje de rotación (46), teniendo el
cabezal cortador (30, 42; 56) un diámetro (2r_{c}; w) el cual es
menor que el segundo diámetro del orificio (24; 64) que hay que
realizar, teniendo el árbol (28; 58) un diámetro (2r_{s}; w) el
cual es sustancialmente menor que el segundo diámetro (2r_{c}:
w), teniendo el cabezal cortador (30; 42; 56) una superficie de
mecanizado radial (34; 44) con una altura (h), que es
sustancialmente menor que la profundidad (d) del orificio (24; 64),
y que tiene una superficie de mecanizado (32, 43) axial;
orientar la herramienta de corte (26; 40; 52) de
tal forma que el eje (46) de rotación de la misma está
sustancialmente ortogonal a una superficie de la pieza que hay que
mecanizar (10); y
mecanizar simultáneamente la pieza, tanto en
dirección axial como radial respecto del eje longitudinal del
orificio (24; 64) haciendo girar simultáneamente la herramienta de
corte (26; 40; 52) alrededor de su eje (46) de rotación, desplazando
la herramienta de corte (26; 40; 52) en una dirección de avance
axial, y desplazando la herramienta de corte (26; 40; 52)
excéntricamente alrededor del eje longitudinal del orificio (26; 40;
52), para de este modo mantener una superficie de contacto
sustancialmente constante entre la herramienta de corte (26; 40;
52) y la pared lateral del orificio en toda la profundidad el
orificio que se está mecanizando.
2. Un procedimiento de la reivindicación 1,
caracterizado porque el segundo diámetro del cabezal
cortador (30, 42, 56) es de aproximadamente entre el 50 y el 80%
del primer diámetro del orificio (24; 649).
3. Un procedimiento según la reivindicación 1 ó
2, caracterizado porque la altura (h) del cabezal cortador
(30; 42; 56) es de aproximadamente 1 a 2 mm.
4. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1-2, caracterizado porque
el primer diámetro del orificio (24; 64) es de aproximadamente 4 a
25 mm.
5. Un procedimiento según la reivindicación 4,
caracterizado porque el primer diámetro del orificio (24;
64) es de aproximadamente 4,9 a 6,4 mm.
6. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la profundidad
del orificio (24, 64) es de aproximadamente 1 a 6 veces superior al
primer diámetro del orificio (24; 64).
7. Un procedimiento según la reivindicación 6,
caracterizado porque la profundidad del orificio es de
aproximadamente 4 a 152 mm.
8. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la pieza
consiste en al menos dos capas de material, comprendiendo al menos
una de las capas un material reforzado por fibras.
9. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la herramienta
(52) comprende una parte biselada (60) formada en el árbol
(58).
10. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque la herramienta
(40) comprende al menos un borde cortante axial (43), siendo dicha
al menos un borde cortante recto, retorcido y curvado al ser
visto a lo largo del eje de rotación.
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