Optimization of Milling Tool Geometry for CFRP/Nomex Honeycomb Sandwich Structures Based on Side-Milling Experiments

En el mundo de la fabricación moderna, existe una tensión constante entre la necesidad de una resistencia ligera y la dificultad de dar forma a esos materiales. Los ingenieros suelen recurrir a las estructuras de sándwich, que combinan una capa exterior delgada y resistente con un núcleo ligero similar a un panal de abeja. Estos materiales son esenciales para industrias como la aeroespacial y las nuevas energías, donde reducir el peso es crítico para la eficiencia y el rendimiento. Sin embargo, las mismas características que hacen que estas estructuras sean tan valiosas —su mezcla de capas rígidas de fibra de carbono y delicadas celdas de panal similares al papel— las hacen notoriamente difíciles de cortar. Cuando una herramienta de máquina intenta rebanar esta mezcla desigual, a menudo desgarra el núcleo delicado o deja bordes irregulares y sin acabado. El desafío radica en encontrar una herramienta que pueda navegar este complejo paisaje sin dañar la pieza de trabajo o desgastarse demasiado rápido.

Investigadores de la Universidad de Shandong se propusieron resolver este rompecabezas específico probando dos herramientas de corte diferentes en un panel hecho de polímero reforzado con fibra de carbono y un núcleo de panal de Nomex. No dependieron de simulaciones por computadora o conjeturas teóricas; en su lugar, realizaron una serie de experimentos de fresado en el mundo real, rebanando el material a diversas velocidades y tasas de avance. Al medir las fuerzas ejercidas sobre las herramientas, el calor generado durante el corte, la calidad de la superficie terminada y la cantidad de desgaste en las herramientas, buscaron determinar qué geometría de herramienta ofrecía el mejor equilibrio de rendimiento. El estudio se centró en dos tipos específicos de fresas, ambas de seis milímetros de diámetro pero con formas y números de bordes de corte distintos. Una herramienta, designada como T1, presentaba una ranura trapezoidal para romper las virutas, mientras que la otra, T2, tenía una ranura en forma de media luna y más bordes de corte.

Los experimentos revelaron que el comportamiento de la fuerza de corte estaba íntimamente ligado a la estructura del propio panal. A medida que la herramienta se movía a través del material, la fuerza que encontraba subía y bajaba en un patrón rítmico que coincidía con las celdas hexagonales del núcleo de panal. Las fuerzas más altas ocurrieron cuando la herramienta golpeaba los puntos donde tres paredes de celda se unían, creando un pico momentáneo de resistencia. Cuando la herramienta llegaba a estas uniones, a menudo tenía que cortar a través de dos capas de material a la vez, requiriendo más potencia. Sin embargo, los investigadores observaron que, cuando la herramienta se aproximaba a estas uniones, las delicadas paredes a veces se doblaban o se retiraban en lugar de ser cortadas limpiamente, lo que provocaba que la herramienta no tuviera que empujar con tanta fuerza, haciendo que la fuerza cayera, pero también dejando tras de sí pequeños fragmentos no cortados de la pared del panal que estropeaban la superficie.

Al comparar las dos herramientas, los resultados mostraron una clara ventaja para la herramienta con la ranura en forma de media luna y más bordes de corte, conocida como T2, particularmente a velocidades de corte más bajas. Esta herramienta produjo cortes más suaves con menos fluctuación en la fuerza, probablemente porque sus bordes adicionales le permitían interactuar con el material de manera más continua. A velocidades más lentas, la T2 generó fuerzas promedio más bajas en todas las direcciones y mantuvo un proceso de corte más estable. Sin embargo, a medida que la velocidad de corte aumentaba, la brecha de rendimiento entre las dos herramientas se estrechaba y sus fuerzas promedio se volvieron casi idénticas. Curiosamente, aunque la T2 era mejor gestionando la fuerza, la otra herramienta, la T1, resultó superior en la gestión del calor. La T1 mantuvo la zona de corte más fría y estable, lo que sugiere que disipaba el calor de manera más eficiente, lo cual es crucial para evitar que la resina del compuesto se ablande y cause daños.

A pesar de la ventaja de la T1 en el control de la temperatura, el panorama general favorecía a la herramienta T2. El examen microscópico de las herramientas después de los experimentos mostró que la T1 sufrió daños significativos, incluyendo bordes astillados y una fuerte acumulación de residuos de fibra de carbono que se pegaron a la superficie de corte. En contraste, la T2 mostró un desgaste mínimo y muy poca adhesión de material. La calidad de la superficie producida por la T2 fue también generalmente mejor, con menos fibras expuestas y paredes de panal más regulares, aunque hubo condiciones específicas donde la T1 funcionó ligeramente mejor. El estudio concluyó que la herramienta T2, con su geometría específica, ofrecía el mejor rendimiento general para fresar estas estructuras de sándwich complejas. Proporcionaba un proceso de corte más estable y dejaba una superficie más limpia, lo que la convierte en la opción preferida para la fabricación de estos materiales de alta tecnología. Los hallazgos proporcionan una guía práctica para que los ingenieros seleccionen herramientas, confirmando que la forma y el número de bordes de corte juegan un papel decisivo en la eficacia con la que se pueden mecanizar estos materiales difíciles.