Método para mecanizar una pieza a trabajar (88) con una herramienta de corte (70) que está incorporada en una operación de corte de piezas a trabajar de energía elevada y formadora de virutas (86),

utilizando un método para enfriar la herramienta de corte que comprende las etapas de:

proporcionar un suministro de un fluido criogénico; y

suministrar un chorro de expansión libre del fluido criogénico (72) a la herramienta de corte,

caracterizado porque el chorro se estabiliza,

en el que el chorro es pulsante con una amplitud inferior al 25% de su caudal medio a lo largo del tiempo,

con la condición de que cuando la amplitud de los impulsos supera el 25% del caudal medio a lo largo del tiempo, el chorro se estabiliza en el corte de energía elevada para realizar un impulso con un ciclo de tiempo inferior a 10 segundos,

en el que la herramienta de corte tiene un filo de corte y en el que un medio para liberar el chorro de fluido criogénico estabilizado de expansión libre a la herramienta de corte tiene, como mínimo, un punto de descarga separado del filo de corte a una distancia superior o igual a 0,254 cm (0,1 pulgadas) e inferior a 7,62 cm (3,0 pulgadas),

en el que el chorro de fluido criogénico estabilizado de expansión libre tiene una temperatura por debajo de - 150ºC,

en el que el fluido criogénico tiene una presión superior o igual a 172,25 kPa (25 psig) e inferior o igual a 1722,5 kPa (250 psig) inmediatamente antes de descargarlo, como mínimo, de un punto de descarga, y

en el que el chorro del fluido criogénico estabilizado de expansión libre tiene un caudal másico uniforme superior o igual a 0,227 kg/minuto (0,5 libras/minuto) e inferior o igual a 2,27 kg/minuto (5,0 libras/minuto)

Un aparato y método de enfriamiento criogénico para operaciones de corte de alta energía.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere al sector del mecanizado de materiales mediante corte (por ejemplo, conformar piezas mediante la eliminación del material en exceso en forma de virutas) y, más particularmente, del mecanizado de materiales mediante el corte con herramientas de corte enfriadas de forma criogénica.

A lo largo de esta solicitud se citan numerosas referencias, incluyendo las notas finales que aparecen después de la descripción detallada de la invención. Cada una de estas referencias se incorpora por referencia en la presente invención con respecto a las partes pertinentes de las referencias citadas en la presente invención.

Tal como se utiliza en la presente invención, el término "corte" incluye, pero sin limitarse al mismo, las siguientes operaciones: torneado, perforación, separación, ranurado, refrentado, planeado, fresado, taladrado y otras operaciones que generan virutas continuas o virutas fragmentadas o segmentadas. El término corte no incluye: rectificado, mecanizado por electroerosión, corte mediante ultrasonidos o corte por erosión mediante chorro a presión elevada, es decir, operaciones que generan virutas muy finas que no tienen una forma muy bien definida, por ejemplo, polvo o partículas.

El corte de materiales duros o difíciles de mecanizar, así como el corte a velocidad elevada de materiales de todos los grupos, excepto el grupo con punto de fusión bajo, incluyendo zinc o polímeros, conducen a niveles muy elevados de energía disipada en la herramienta de corte. La Tabla 1 siguiente presenta ejemplos de mecanizado fácil y difícil de metales ferrosos y no ferrosos con sus respuestas de mecanizado modificadas tanto por la composición como por la condición termomecánica. Los materiales caracterizados por una potencia unitaria (P_c) superior a 1 hp/pulg³/minuto, una energía unitaria (E_c) superior a 2,7 J/mm³, y/o una dureza superior a 30 HRC se consideran difíciles de mecanizar. En el caso de aceros u otros metales que funden por encima de 1.400ºC, el mecanizado a velocidad elevada resulta difícil incluso si el nivel de dureza es de sólo 25 HCR.

(Tabla pasa a página siguiente)

Notas:

La Tabla 1 también muestra cómo la potencia unitaria y la energía unitaria se traducen en temperaturas elevadas de la viruta elaborada que está en contacto con la herramienta de corte. Es evidente que los materiales de energía elevada y las condiciones de corte requieren calidades de herramienta que mantengan la dureza a las temperaturas más elevadas - calidades duras, pero frágiles, de carburos cementados (WC-Co) e, idealmente, materiales no metálicos avanzados para herramientas que ofrecen un nivel máximo de dureza a costa de una resistencia a la rotura reducida y una tenacidad a la fractura reducida.

La Tabla 2 siguiente resume los valores habituales de la resistencia a la rotura transversal (TRS) y la tenacidad a la fractura (K_tc) de los grupos principales de materiales de herramientas.

Comparando el acero rápido tradicional (HSS) y las calidades más tenaces de carburos cementados que contienen más aglutinante de cobalto, los materiales no metálicos avanzados para herramientas son significativamente más frágiles, es decir, sensibles a irregularidades en la carga por tensiones, en irregularidades en la carga térmica o choque por tensiones de enfriamiento o térmicas. Las herramientas con un valor de TRS inferior a 3 GPa (3000 MPa) y un valor de K_tc inferior a 10 MPa m^1/2 se consideran quebradizas y propensas a una fractura rápida en condiciones de corte de energía elevada. De este modo, la comunidad del mecanizado es consciente de la necesidad de evitar el uso de fluidos convencionales de corte cuando se mecaniza con estos materiales de herramienta frágiles o, si es posible y práctico en una operación de corte determinada, utilizar materiales de herramienta frágiles con extrema precaución mediante una inmersión completa y uniforme de la herramienta, viruta y zona de contacto.

Por ejemplo, numerosas publicaciones y recomendaciones de los fabricantes de herramientas alertan a los operadores del mecanizado del problema de la corta duración de las herramientas cerámicas en contacto con fluidos convencionales de corte. A pesar de las deficiencias inherentes, por ejemplo, piezas a trabajar sobrecalentadas, precisión dimensional reducida, o riesgo de incendio de las virutas, se recomienda el mecanizado en seco si se utilizan herramientas duras, pero quebradizas. P.K. Mehroira de Kennametal enseña en "Applications of Ceramic Cutting Tools" (Aplicaciones de las herramientas de corte cerámicas), Vol. 138-140 (1998), Capítulo 1, pág. 1-24: "el uso de refrigerantes no está recomendado cuando se utilizan estas herramientas para mecanizar aceros debido a su baja resistencia al choque térmico" R. C. Dewes y D.K. Aspinwall ("The Use of High Speed Machining for the Manufacture of Hardened Steel Dies" (La utilización del mecanizado a alta velocidad para la fabricación de matrices de acero templado), Trans. of NAMRI/ISME, Vol. XXIV, 1996, pág. 21-26) analizaron una gama de herramientas de óxido y nitruro que incluyen: 71% Al₂O₃-TiC, 75% Al₂O₃-SiC_w, 50% CBN-AlB₂-AlN, 50% TiC-WC-AlN-AlB₂, 80% CBN-TiC-WC, así como 95% CBN-Ni/Co. Observaron que el uso de un fluido convencional de enfriamiento aplicado mediante inmersión o pulverización daba lugar a la reducción de la duración de la herramienta en más de un 95%, a excepción de la alúmina reforzada con monofilamentos, en que la duración se acortó aproximadamente en un 88%. T.J. Broskea y otros han publicado en GE Superabrasives, en MMS Online (www.mmsonline.com/articles) y otros, resultados de pruebas similares en insertos de corte con PCBN que muestran fallos importantes en la herramienta debido a desconchaduras por fragilidad al contacto con el fluido de enfriamiento.

La Tabla 3 siguiente representa las condiciones de mecanizado habituales recomendadas en la técnica anterior para un conjunto de materiales a trabajar y materiales de herramientas. Aunque diferentes combinaciones de profundidad de corte (DOC), velocidad de avance (F), velocidad de corte (Vc) y potencia unitaria (Pc), conducen...

1. Método para mecanizar una pieza a trabajar (88) con una herramienta de corte (70) que está incorporada en una operación de corte de piezas a trabajar de energía elevada y formadora de virutas (86), utilizando un método para enfriar la herramienta de corte que comprende las etapas de:

caracterizado porque el chorro se estabiliza,

2. Método, según la reivindicación 1, en el que la herramienta de corte tiene una superficie de ataque y el chorro del fluido criogénico estabilizado de expansión libre choca con la superficie de ataque.

3. Método, según la reivindicación 1, en el que el fluido criogénico se selecciona de un grupo que comprende nitrógeno líquido, nitrógeno gaseoso, argón líquido, argón gaseoso y mezclas de los mismos.

4. Método, según la reivindicación 1, en el que la herramienta de corte tiene un valor de resistencia a la rotura transversal (TRS) inferior a 3000 MPa.