En el campo de la tecnología de fabricación, la perforación de agujeros profundos se refiere a la perforación de agujeros con altas relaciones longitud-diámetro.
Según la norma VDI 3210, los procesos de taladrado profundo son procesos de fabricación para el mecanizado de orificios con diámetros entre D = 0,2...2000 mm y cuya profundidad de taladrado es normalmente mayor que tres veces el diámetro. [1] Para diámetros pequeños, se pueden lograr relaciones longitud-diámetro de hasta l/D ≤ 100, en casos especiales incluso hasta l/D = 900. [2] [3] [4] En el caso de diámetros grandes, la relación l/D suele estar limitada por el recorrido o la longitud de la bancada de la máquina de taladrado profundo. [4] [5]
El taladrado de agujeros profundos se diferencia del taladrado normal en que, dependiendo del proceso de taladrado y del diámetro de taladrado, se debe bombear lubricante refrigerante a los filos de corte en grandes cantidades y a alta presión. Esto garantiza una buena refrigeración y, al mismo tiempo, una buena lubricación de las zonas de contacto entre la pieza de trabajo y el filo de corte de la herramienta por un lado y la pieza de trabajo y las almohadillas guía de la herramienta por otro. Además, el lubricante refrigerante retira continuamente las virutas de la zona de corte, lo que hace innecesarios los golpes de eliminación de viruta que dañan la superficie y consumen mucho tiempo y, por lo tanto, mejora la calidad del orificio y la productividad de los procesos. [1] Para la producción de agujeros profundos, se distinguen dos tipos de herramientas diferentes. Por un lado, existen herramientas con un diseño asimétrico de un solo filo. Entre estas herramientas de taladrado de agujeros profundos se encuentran las brocas de un solo labio , el sistema de un solo tubo (taladrado de agujeros profundos BTA) y el sistema de doble tubo (taladrado de agujeros profundos con eyector), que se denominan los procesos de taladrado de agujeros profundos "clásicos". Por otro lado, existen herramientas con filos de corte dispuestos simétricamente. Entre ellas se encuentran las herramientas de perforación de agujeros profundos en espiral y las herramientas de perforación de agujeros profundos de doble labio, que también se pueden asignar a los procesos de perforación profunda debido a las profundidades de perforación que se pueden lograr con ellas. La perforación de agujeros profundos se fabricó originalmente en China.
Los tipos de herramientas mencionados se diferencian en cuanto al rango de diámetros realizables, las relaciones l/d alcanzables, la calidad de la superficie y su productividad . Las herramientas simétricas solo se pueden utilizar en el rango de diámetros pequeños de D = 0,2 ... 32 mm para producir agujeros con una relación l/d de hasta un máximo de l/d = 85, el estándar es una relación l/d de l/d = 30. Con herramientas asimétricas, se pueden producir agujeros en el rango de diámetros de D = 0,5 ... 2000 mm y el límite superior de la relación l/d suele estar limitado por las dimensiones de la máquina. La figura muestra métodos de taladrado de agujeros profundos seleccionados con sus diámetros de aplicación habituales, con lo que queda claro que los métodos de taladrado de agujeros profundos no compiten entre sí en todos los rangos de diámetros. La ventaja de las herramientas de diseño simétrico en comparación con las herramientas de taladrado de agujeros profundos "clásicas" en el rango de diámetros pequeños es la viabilidad de avances significativamente mayores f, que pueden ser 6 veces superiores en comparación con los valores habituales para el taladrado de agujeros profundos de un solo labio. [1] [6] [7] [8]
Además de la elevada relación l/d, los métodos de taladrado profundo "clásicos" se caracterizan por una alta productividad y una alta calidad de superficie en comparación con los métodos de taladrado convencionales con brocas helicoidales. La alta calidad de taladrado se caracteriza por una baja rugosidad de la superficie, pequeñas desviaciones de diámetro y una alta precisión geométrica. Para la buena calidad de la superficie es importante el diseño asimétrico de las herramientas de taladrado profundo. Las herramientas "clásicas" para taladrado profundo de un solo labio, taladrado profundo BTA y taladrado profundo con eyector están diseñadas asimétricamente, con algunas excepciones, y tienen un filo secundario (chaflán de rectificado circular) y patines guía. Debido a estas características de diseño, una cierta cantidad de las fuerzas de corte durante el proceso se transmite a través de los patines guía a la pared del agujero. Estos componentes de fuerza en el cabezal de la herramienta se apoyan en la pared del agujero producido y, de este modo, guían la herramienta en el propio agujero. Por lo tanto, la distribución de las fuerzas del proceso durante el taladrado profundo es diferente de la perforación convencional, donde las fuerzas son absorbidas en gran medida por el vástago de la herramienta y, por lo tanto, por el husillo de la máquina. Gracias a la distribución de la fuerza del proceso en la pared del orificio, en el taladrado de orificios profundos, la broca se guía por sí sola, con lo que el proceso se beneficia de una desviación de rectitud comparativamente baja. El "apoyo" de las placas de guía en la pared del orificio también da como resultado un proceso de conformado que alisa (idealmente) la pared del orificio. Gracias a este proceso de conformado, la rugosidad de la superficie causada por el contacto de los filos de corte durante el taladrado puede reducirse en aproximadamente un 70 %. [9] De este modo, mediante procesos de taladrado de orificios profundos se pueden lograr calidades de superficie muy altas con tolerancias de orificio de IT 9 a IT 7. Los pasos posteriores para mejorar la calidad de la superficie del orificio a menudo se pueden reducir o eliminar por completo. Otra ventaja es la baja formación de rebabas en los orificios de canal y en los orificios transversales de sobretaladrado. [1] Debido a la alta calidad de la superficie combinada con una alta productividad, el uso de métodos de taladrado de orificios profundos puede ser económico incluso a bajas profundidades de taladrado. [5] [10]
El taladrado de agujeros profundos de un solo labio se utiliza generalmente para producir agujeros en el rango de diámetro de D = 0,5...40 mm. Este rango de aplicación está actualmente limitado en el extremo inferior por la tecnología de fabricación para realizar los canales de refrigerante dentro de la herramienta y los desafíos crecientes en la tecnología de rectificado con diámetros de herramienta decrecientes. El límite superior resulta del uso más económico de métodos alternativos de taladrado de agujeros profundos. [1] [12] La característica del taladrado de agujeros profundos de un solo labio es el suministro de refrigerante interno a través de un canal de refrigeración en forma de riñón o dos canales de refrigeración circulares. La mezcla de virutas y refrigerante se descarga en una ranura longitudinal en forma de V en la herramienta, la llamada garganta. El flujo de masa de refrigerante es el único mecanismo de transporte para eliminar las virutas. Por esta razón, es necesario un suministro de refrigerante de alta presión dependiente del diámetro. La estructura general de las herramientas de un solo labio se divide en tres partes: la cabeza de la broca, el vástago y el manguito de sujeción. Por lo general, la cabeza de la broca se une al vástago mediante soldadura fuerte. El manguito de sujeción es el elemento de sujeción de la herramienta y forma la interfaz con el portaherramientas y, por tanto, con la máquina herramienta. Las herramientas de metal duro se utilizan a menudo para diámetros de herramienta más pequeños y herramientas con un diseño de alto rendimiento. En estas herramientas más potentes, la cabeza de la broca y el vástago están hechos de una sola varilla de carburo. La cabeza de la broca suele estar hecha de carburos del grupo de aplicación de corte ISO K 10 a K 20 y, si es necesario, se recubre. En aplicaciones especiales, también se utilizan PCD, cermets, cerámicas o aceros de alta velocidad. [1] La elección de la geometría de la cabeza de la broca se realiza en función de la situación de mecanizado existente. A este respecto, se hace una distinción entre diferentes ángulos de filo de corte y la forma circunferencial de las almohadillas guía. En el rectificado estándar habitual para brocas de un solo labio, el filo de corte principal se divide en un filo de corte exterior y uno interior, que se diferencian en diferentes ángulos de filo de corte según el diámetro del orificio. La elección de la forma circunferencial, es decir, el número y la disposición de las zapatas guía en la circunferencia de la broca de un solo labio, también es importante. En comparación con la perforación convencional con brocas helicoidales, la perforación de un solo labio se caracteriza por su idoneidad y alta fiabilidad de proceso con grandes relaciones longitud-diámetro. Además, la perforación de un solo labio logra calidades de orificio comparativamente altas, lo que puede reducir la necesidad de posprocesamiento. [1]
Herramientas
Como se puede ver en las imágenes, una broca de un solo labio se compone de un portaherramientas, un vástago y la cabeza de la broca (normalmente de metal duro). En cuanto al diseño, se puede decir en general que el vástago es entre unas décimas de milímetro y un milímetro más pequeño que la cabeza de la broca. También se puede ver que aproximadamente 1/4 del vástago consiste en una ranura, en la que el flujo de refrigerante expulsa las virutas del orificio. El propio cabezal de corte lleva superficies de guía que están en contacto con la pared del orificio y guían la broca. Por el contrario, las brocas helicoidales convencionales suelen guiarse por el eje de la máquina herramienta.
El filo de corte propiamente dicho está dispuesto de forma asimétrica y se extiende desde la esquina del filo de corte, pasando por la punta, hasta el centro de la broca. De este modo, la herramienta trabaja con un solo filo de corte. Las fuerzas de corte, que no se anulan gracias al diseño asimétrico, se apoyan en la pared del orificio. Las virutas generadas en el filo de corte son envueltas por refrigerante desde el exterior y, a continuación, son evacuadas de la zona de corte a través de la ranura del vástago. Hasta un diámetro de aprox. 10 mm, las herramientas disponen de un canal de refrigeración; para diámetros mayores se utilizan dos o más canales.
Las desventajas de la perforación profunda con un solo labio, como el contacto de las virutas con la superficie del orificio generado o el bajo momento de torsión, fueron la motivación para desarrollar un método de perforación profunda modificado que evite estos problemas y conserve las buenas propiedades. Como resultado de lo anterior, alrededor de 1940 se desarrolló un nuevo método de perforación profunda, que recibió el nombre de perforación profunda BTA a principios de la década de 1950. BTA significa "Boring and Trepanning Association", que estaba dominada por la empresa ahora liquidada Gebrüder Heller en Bremen, Alemania. Bajo su dirección, el nuevo proceso se creó durante la Segunda Guerra Mundial combinando sus propios desarrollos con los de Burgsmüller y Beisner. Burgsmüller reemplazó el eje de perforación ranurado utilizado hasta entonces por un tubo con una sección transversal cerrada, que era más rígido a la torsión y, por primera vez, transportaba las virutas a través del interior del tubo. Burgsmüller utilizó una herramienta de doble filo y una mezcla de aire y aceite, que hoy en día se utiliza en la producción con una lubricación mínima. Beisner mejoró el diseño de la herramienta e introdujo el aceite como lubricante refrigerante. Heller, que fue la primera empresa en introducir herramientas de perforación profunda de un solo labio con punta de carburo, tenía la patente para la constelación filo de corte/placa guía que luego también se utilizó para las herramientas BTA.
Durante el proceso de mecanizado, el refrigerante se introduce en la zona de corte, como se muestra en la figura, a través del espacio anular entre el orificio realizado y el tubo de perforación con la ayuda de la unidad de suministro de aceite de perforación (BOZA). La BOZA también sella entre la pieza de trabajo y el tubo de perforación. Para ello, dispone de un soporte de pieza de trabajo giratorio cónico que se dirige hacia la pieza de trabajo y se presiona contra ella con alta presión. Esto centra la pieza de trabajo y crea una superficie de contacto de sellado. En la mayoría de los casos, la parte trasera de la BOZA está sellada por un prensaestopas, que también guía el tubo de perforación. En la BOZA, el casquillo de roscar suele estar integrado, lo que significa que rara vez es necesario trabajar con un orificio de perforación piloto en el proceso BTA.
Herramientas
Las virutas se eliminan a través de las aberturas integradas en el cabezal de perforación con la ayuda del flujo de aceite de corte. Por lo tanto, las aberturas se denominan "boca de viruta". De esta manera, las virutas se pueden eliminar sin contacto con la pared del orificio. Debido a la sección transversal circular de la herramienta y el tubo de perforación, el proceso tiene un momento de resistencia a la torsión más alto en comparación con la perforación de agujeros profundos de un solo labio, lo que permite lograr un rendimiento de corte significativamente mayor. El proceso BTA se utiliza para diámetros de orificio de D = 6 ... 2000 mm. Para procesos industriales se utiliza en un rango de aprox. D = 16 mm. Es posible fabricar cabezales de perforación BTA con un diámetro de D ≤ 6 mm, pero hasta la fecha no se conoce ningún caso de aplicación. [13] [10] [11]
El taladrado profundo con eyector se utiliza en un rango de diámetros de aprox. D = 18 ... 250 mm. Se trata de una variante del proceso BTA en la que los cabezales de perforación utilizados son estructuralmente comparables al sistema de herramientas BTA. La única diferencia son las salidas de refrigerante adicionales en la circunferencia de la herramienta. El refrigerante se suministra a través del espacio anular entre el tubo de perforación y el tubo interior, lo que también le da al proceso el nombre de proceso de dos tubos. El refrigerante emerge lateralmente de las salidas de refrigerante ya mencionadas, fluye alrededor del cabezal de perforación y fluye de regreso al tubo interior transportando las virutas producidas. Parte del refrigerante se suministra directamente al tubo interior a través de una boquilla anular. Esto crea una presión negativa (efecto eyector) en la boca de la viruta, lo que facilita el reflujo en el tubo interior. El sistema puede funcionar a través de una bomba de alta presión externa o el suministro de refrigerante interno de la máquina. Dado que, a diferencia del proceso BTA, no se requiere un sellado contra el escape de refrigerante, el proceso de eyector también se puede utilizar en tornos y centros de mecanizado convencionales. Como la sección transversal de la tubería a través de la cual se deben retirar las virutas se reduce con el sistema de doble tubo, la capacidad de corte es menor que con el proceso BTA. Por este motivo, generalmente se seleccionan velocidades de corte más bajas para la perforación de agujeros profundos con expulsor. Además, la menor rigidez se acompaña de peores propiedades de concentricidad (IT9 a IT11). [1] [14] [13] [7]
Un requisito previo para la implementación del proceso es el uso de una pieza de conexión que se inserta en el soporte de la torreta del torno o en el husillo del centro de mecanizado. A través de esta pieza de conexión, el refrigerante se alimenta desde la unidad de bomba conectada al espacio anular entre el tubo interior y el exterior. Para habilitar esta función, hay dos versiones diferentes disponibles. Se requiere una pieza de conexión giratoria para centros de mecanizado y una pieza de conexión no giratoria para tornos. El espacio de instalación necesario debe tenerse en cuenta al seleccionar la máquina herramienta.
Herramientas
El diseño de las herramientas para perforación de agujeros profundos con eyector es casi idéntico al de las herramientas de perforación de agujeros profundos BTA. Las salidas de descarga de refrigerante adicionales se muestran en las ilustraciones.
Además de los métodos clásicos de taladrado de agujeros profundos, existen otros métodos para el mecanizado final de agujeros profundos. El agujero puede ser procesado posteriormente en cuanto a su acabado superficial o puede servir como base para el mecanizado de contornos complejos y no cilíndricos.
Por diversas razones, existen componentes con agujeros profundos cuyos contornos interiores son simétricos rotacionalmente pero no uniformemente cilíndricos. Dichos componentes pueden tener contornos sin socavados, por ejemplo, para moldes de fundición centrífuga o agujeros cónicos en cilindros de extrusora, y con socavados, por ejemplo, para ejes de hélice o trenes de aterrizaje. Para producir tales cavidades de cámara, se requiere un pretaladrado de alta calidad. Si el portaherramientas de corte extensible radialmente se controla a través de un eje NC y se conecta al carro de perforación NC de la máquina de perforación de agujeros profundos, es casi posible producir cualquier contorno de pared de agujero de un corte en toda la longitud del contorno. La posición del filo de corte se puede modificar mediante un desplazamiento axial, por ejemplo, utilizando un tubo de empuje interno. Además, las almohadillas de guía también se pueden ajustar hidráulicamente. Dado que el agujero guía ya se ha mecanizado después del primer paso de corte para el llamado método de cámara larga, las almohadillas de guía también deben ser ajustables radialmente para soportar la herramienta para cámaras más grandes. Como alternativa a este método, el llamado método de cámara corta no requiere almohadillas guía extensibles, ya que la herramienta solo se asienta en el orificio guía pretaladrado. [15] [16] [17] [18]
El desbaste mejora la redondez y la precisión dimensional del diámetro del orificio. El proceso crea un perfil de superficie abierto, que es particularmente adecuado para procesos de mecanizado posteriores, como el laminado liso o el bruñido. En el campo del mecanizado de cilindros hidráulicos y camisas de cilindros, el desbaste y el laminado liso se considera un proceso de fabricación relacionado con la perforación de orificios profundos, aunque tiene un componente de corte y también de conformación. La razón de esto es el amplio uso de herramientas combinadas de desbaste y laminado liso. [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26]
Otro proceso de mecanizado para aumentar la calidad de la superficie y la precisión dimensional de un orificio es el uso de escariadores de una sola hoja. El escariado es el avellanado de un orificio previamente perforado, donde la herramienta se apoya en las propias almohadillas guía. Por lo tanto, la geometría de la herramienta de estos escariadores es muy similar a la de las brocas de un solo labio. La diferencia con la perforación de orificios profundos de un solo labio con baja profundidad de corte es el chaflán circunferencial que suele faltar, un borde de corte lateral largo paralelo al eje de fresado y los bajos volúmenes y presiones de refrigerante. [27] [28]
Para el mecanizado con procesos de taladrado profundo o procesos asociados al taladrado profundo, se utilizan principalmente máquinas de taladrado profundo como máquinas estándar (multiuso) o especiales. Las brocas cañón son un ejemplo arquetípico. A menudo, las brocas de un solo labio se utilizan en los centros de mecanizado para la producción de agujeros con profundidades de taladrado más pequeñas (hasta aprox. 40 × D). El taladrado por eyector se utiliza principalmente en máquinas herramienta convencionales. Dado que el taladrado profundo tiene una alta productividad, solo se utilizan máquinas comparativamente potentes. Básicamente, se requiere un sistema de refrigeración que proporcione refrigerante con un caudal volumétrico superior al promedio (en comparación con otros métodos de taladrado) a presiones más altas. Un sistema de taladrado profundo consta de la máquina de taladrado profundo y el tanque de refrigerante con otros equipos periféricos para la preparación del refrigerante y el manejo de virutas. El proceso de taladrado por eyector se desarrolló como tecnología de taladrado profundo que se puede utilizar en máquinas herramienta convencionales. El uso del taladrado profundo de un solo labio es especialmente común en los centros de mecanizado en la producción en serie. A la derecha puede ver dibujos esquemáticos de máquinas de taladrado profundo convencionales. [1]
VDI – Directrices de la Asociación de Ingenieros Alemanes
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