1. Mecanizado, corte y acabado
de
Materiales compuestos
Tecnología e Inspección de Materiales Estructurales
Jaime Domínguez Salas
Ingeniería Aeronáutica
Febrero 2013
miércoles, 27 de febrero de 13 1

2. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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3. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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4. Mecanizado de compuestos
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5. Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la herrrramienta
- Material no homogéneo
Material compuesto
- Escasa conductividad térmica
- Desgaste abrasivo
- Desgaste por difusión
Herramienta
- Desgaste por corrosión
- Fractura por microgrietas
Tenacidad Dureza
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6. Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la herrrramienta II
Tipos de material
Diamante policristalino sintético
Dureza elevada
Tenacidad baja
Fractura por microgrietas
Diseño de la superficie de corte (chaflán)
Carburos cementados
Tenacidad elevada
Dureza baja
Abrasión
Menor tamaño de grano, menor % de aglutinante.
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7. Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto a la pieza
Distintas propiedades mecánicas
- Material no homogéneo Tensiones residuales
- Matriz con malas propiedades térmicas Desgaste térmico
- Estudio del uso de refrigerantes
- Acabado muy dependiente del apilado
- Pelado de fibras
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8. Mecanizado de compuestos / Dificultades respecto al proceso
Mecanizabilidad Conceptos asociados
>> Material >> Desgaste de la herramienta
Tipo de fibras y matriz Vida de la herramienta
Volumen de fibras
Apilado >> Fuerzas de corte
>> Herramienta de corte Consumo energético
Propiedades mecánicas >> Acabado superficial
Geometría
>> Operación de mecanizado
>> Condiciones de corte
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9. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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10. Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte
Muy importante la dirección de la fibra y el proceso de apilado.
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11. Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte
Fuerza de corte:
Ángulo de orientación de las fibras Fuerza necesaria
0º a 60º Aumenta
60º a 120º Disminuye
>120º Aumenta
Tensiones y rotura:
Ángulo de orientación de Tensiones en las fibras Tipo de rotura Observaciones
las fibras
0º Compresión Separación de láminas
0º a 90º Tracción y flexión Fractura de fibras 45º es óptimo
90º Flexión Corte de fibras
Fractura
mayor a 90º Flexión y compresión Perjudicial
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12. Mecanizados tradicionales / Mecanismo de corte II
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13. Mecanizados tradicionales / Torneado
Elementos que requieran una gran precisión dimensional y geométrica.
Mal acabado superficial.
Gran desgaste de herramienta.
Mejor fabricar por conformación. Evitar torneado.
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14. Mecanizados tradicionales / Fresado
Proceso frecuente en el mecanizado de compuestos
Baja velocidad de corte
Precisión dimensional
Proceso complejo
Más económico
Fresado en contrasentido
Mejor eliminación del polvo tóxico
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15. Mecanizados tradicionales / Fresado II
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16. Mecanizados tradicionales / Rectificado
Genera múltiples problemas
Pelado de fibras, separación de láminas, quemaduras en
la pieza, etc.
La rugosidad superficial final depende de la orientación
de las fibras perpendiculares
La elevada temperatura puede degradar la matriz
rectificado húmedo.
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17. Mecanizados tradicionales / Taladrado
Proceso muy común en aeronáutica. Ensamblaje de estructuras.
Corte:
- Velocidad de corte y de avance.
- Ángulo de punta del taladro. Delaminación
Puede generar problemas específicos en la pieza mecanizada
- Separación del laminado
- Pelado de fibras
- Fracturas interlaminares
- Fractura de la interfase fibra-matriz
- Daño térmico
- Errores geométricos
También sobre la herramienta
- Desgaste elevado frecuentes cambios de herramienta
- Fatiga
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18. Mecanizados tradicionales / Taladrado II
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19. Mecanizados tradicionales / Taladrado III
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20. Mecanizados tradicionales / Acabado superficial
Rugosidad superficial
Defectos de forma Dependen del
apilado y del
Defectos térmicos proceso de
mecanizado
Defectos en las características
mecánicas de la pieza
En general el acabado superficial es malo.
Se puede mejorar en el proceso de conformación.
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21. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica..
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22. Mecanizados no tradicionales
Poca eficacia de los procesos tradicionales
Necesidad de obtener formas complejas
Evitar grietas superficiales y tensiones residuales
Mejora de la precisión
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23. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por láser
Sistema de corte de alta energía. Piezas complejas.
Sin contacto útil-mecanismo-pieza. No hay fuerzas de corte.
Haz de luz de idéntica longitud de onda muy concentrado. Evaporación del material.
Zona afectada térmicamente muy pequeña
Más común: láser CO2 (matriz orgánica)
Vapor nocivo
Degradación de ciertos materiales.
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24. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por chorro de agua
El fluido contiene partículas abrasivas
Más complejo por la alimentación de las partículas abrasivas
Apropiado para el corte de materiales abrasivos (evita desgaste de herramienta)
No produce separación de láminas ni pelado de fibras
Menor rugosidad superficial que chorro de agua simple
El fluido refrigera el corte. No hay daños térmicos.
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25. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por ultrasonidos
Inyección de partículas abrasivas a gran velocidad
debido a vibraciones de gran frecuencia (20-30KHz)
Partículas usadas: óxidos de aluminio, óxido de boro, carburos de silicio.
Evita separación de láminas, pelado de fibras, microfisuras y quemado de material.
Evita efectos térmicos, químicos y eléctricos en la pieza.
Procesado complejo y delicado. Tolerancias de hasta +/- 0.0125 mm
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26. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por descarga eléctrica
Se basa en el efecto erosivo que produce el impacto de una chispa en la pieza.
La chispa se produce entre un electrodo y la pieza en presencia de un fluido dieléctrico.
Genera altas temperaturas que evaporan el material afectado.
Solo utilizable en materiales compuestos con conductividadeléctrica uniforme y continua.
Materiales con matriz metálica. No válido para PMC´s
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27. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado por haz de electrones
Proceso termoeléctrico al vacío
Se hace impactar un haz de electrones a gran velocidad contra la superficie de la pieza
Material evaporado por las altas temperaturas
El vacío evita la pérdida de energía del haz al chocar con moléculas de gas
Tolerancias muy estrechas sin zona afectada térmicamente
Caro y lento (hacer vacío)
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28. Mecanizados no tradicionales / Mecanizado electroquímico
Disolución anódica con presencia de electrolito
Herramienta es el cátodo
Pieza es el ánodo
No genera daño térmico
Materiales conductores. No vale para PMCs.
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29. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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30. Modelado de daño
Ejemplo: taladrado
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31. Modelado de daño
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32. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica..
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33. Adquisición y tratamiento de la información de daños
Emisiones acústicas Tomografía computarizada
Medición de temperatura Escáner por ultrasonidos
Microscopía Métodos ópticos (haz de luz)
Radiografía Topografía de superficie
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34. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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35. Herramientas. ¿Cual elegir?
Tres grandes grupos:
Aceros rápidos
Carburos cementados
Cerámicos/superduros
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36. Índice General
>> Características específicas del mecanizado de compuestos.
Con respecto a la herramienta.
Con respecto a la pieza.
Con respecto al proceso. (Mecanizabilidad)
>> Procesos de mecanizado tradicionales.
Mecanismo de corte.
Torneado.
Fresado.
Rectificado.
Taladrado.
Acabado superficial.
>> Procesos de mecanizado no tradicionales.
Mecanizado por láser.
Mecanizado por chorro de agua.
Mecanizado por ultrasonidos.
Mecanizado por descarga eléctrica.
Mecanizado por haz de electrones.
Mecanizado electroquímico.
>> Modelado de daño.
>> Adquisición y tratamiento de la información de daños.
>> Herramientas.
>> Caso práctico de especial importancia en aeronáutica.
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37. Caso práctico de especial importancia en aeronáutica
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38. Caso práctico de especial importancia en aeronáutica
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39. Bibliografía
MACHINING OF POLYMER COMPOSITES. Jamal Y. Sheikh-Ahmad
COMPOSITE MATERIALS HANDBOOK.VOLUME 1. Department of Defense – United States of America
LASER MACHINING OF AEROSPACE COMPOSITE MATERIALS. GSI JK Lasers.
TECHNOLOGY ROADMAP FOR COMPOSITES IN THE AEROSPACE INDUSTRY. National Composites Network.
ESTUDIO DEL MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS. Proyecto fin de carrera. Laura Montero García.
METALWORKING WORLD. JANUARY 2010
FABRICACIÓN Y MECANIZADO DE MATERIALES COMPUESTOS. EUIT Aeronáutica, Sección publicaciones. Díaz Santos, Manuel (1992).
www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/81259-Retos-mecanizado-mecanico-materiales-compuestos-fibras-destinados-construccion-ligera.html
www.diager.com
www.sandvik.coromant.com/SiteCollectionDocuments/downloads/global/technical guides/en-gb/C-2920-30.pdf
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40. Dudas y preguntas
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