Los materiales de la aguja se vuelven más ligeros, rígidos y duros

Dec 08, 2023

Examine cualquier catálogo de máquinas de medición por coordenadas (CMM) o palpadores de máquinas herramienta y verá una variedad de materiales disponibles entre los que elegir. Por supuesto, los viejos recursos (bolas de rubí, ejes de carburo y bases de acero inoxidable) todavía están allí. Pero hoy encontrará nitruro de silicio, zirconio, acero, diamante, fibra de carbono, cerámica, titanio y más. Esto lleva a muchas preguntas sobre el mejor material para el trabajo. En este artículo, exploraremos los materiales y sus ventajas y desventajas.

En respuesta a la evolución de los mercados, las MMC y los palpadores de las máquinas herramienta son cada vez más ligeros, más rígidos y más resistentes al desgaste.

Hoy en día, existe una plétora de opciones de materiales al elegir palpadores para una CMM o una sonda de máquina herramienta.

Si no está seguro de cuál es la mejor opción para su aplicación en particular, comuníquese con el fabricante de la aguja para obtener asesoramiento.

Las primeras CMM usaban un palpador posicionado manualmente hecho de acero endurecido. En aquel entonces, los diseños de palpadores se limitaban a una bola de acero soldada a un vástago de acero, medio cilindro de acero y un cono de acero diseñado para ser presionado en un orificio para ubicar su punto central rápidamente. El operador sostenía el lápiz óptico sobre una superficie, contra un borde, o lo presionaba en un orificio, y luego pisaba un interruptor de pie para registrar su posición.

Los sistemas de sonda mejoraron rápidamente, al igual que los palpadores. Las primeras sondas de disparo por contacto usaban un lápiz de bola similar a los que se usan hoy. Las bolas eran de acero y los ejes no estaban roscados. En lugar de hilos, un tornillo de fijación mantuvo el eje en su lugar. El conocido palpador de tres piezas de hoy en día que consta de una bola, un vástago y una base roscada apareció en la década de 1980 con la proliferación de cabezales de sonda de activación por contacto en CMM y máquinas herramienta.

El rubí sigue siendo el material de bolas elegido para la mayoría de las aplicaciones de CMM y máquinas-herramienta. Las bolas de rubí son relativamente económicas y resistentes al desgaste. El carburo de tungsteno, gracias a su rigidez inherente, se usa con mayor frecuencia para ejes o vástagos de palpadores. El acero inoxidable es el material más común para las bases roscadas.

Entonces, ¿qué pasa con todos los nuevos materiales?

A medida que han evolucionado los sistemas de medición y sondeo, también lo han hecho sus requisitos de palpadores. Muchos de los sistemas de sondeo actuales imponen límites en la longitud y el peso del palpador. Estos límites crean la necesidad de materiales que ahorren peso y que aún proporcionen suficiente rigidez. Ciertas MMC están diseñadas para trabajar en la planta de producción. Estos requieren herramientas resistentes a las fluctuaciones de temperatura. Los "brazos" de MMC operados manualmente son comunes en las áreas de inspección y fabricación actuales. Estas CMM manuales necesitan palpadores resistentes fabricados con materiales que puedan resistir el uso manual.

Los palpadores de máquina herramienta, por otra parte, incorporan un denominado "fusible mecánico". La mayoría de los palpadores de las máquinas herramienta están diseñados para romperse en caso de colisión, para evitar daños a la máquina o al cabezal de la sonda.

A medida que las piezas médicas y electrónicas se reducen de tamaño, también lo hacen los palpadores. No hace mucho tiempo, los palpadores con bolas de menos de 1,5 mm se consideraban exóticos. Se consideraron frágiles y difíciles de calibrar. Hoy son lugares comunes. Recientemente se introdujeron palpadores con bolas de 0,2 mm (0,008") de diámetro para servir a este campo en expansión. Para poner eso en perspectiva, una bola de 0,2 mm es más pequeña que el punto al final de esta oración.

Estos cambios han inducido la introducción de nuevos materiales para satisfacer estos requisitos en evolución. Aquí hay una descripción general de los materiales que componen los componentes principales de un lápiz óptico: 1) la bola, 2) el vástago y 3) la base roscada.

LA PELOTA

Las bolas hechas de rubí sintético son el estándar de la industria. El rubí ocupa el segundo lugar después del diamante en dureza y, por lo tanto, exhibe una resistencia al desgaste superior. Ruby tiene un coeficiente de fricción relativamente bajo, lo que lo convierte en una buena opción para aplicaciones que involucran sondeo de contacto continuo o "escaneo". Sin embargo, al escanear aluminio sin tratar, el aluminio tiende a acumularse en la superficie de la bola, lo que la hace inadecuada para su uso posterior. Además, las superficies abrasivas pueden desgastar un punto plano en una bola de rubí. Para estas aplicaciones, recomendamos bolas de nitruro de silicio.

El nitruro de silicio es una cerámica industrial muy dura que se utiliza principalmente para rodamientos de bolas. Además de su precisión esférica, las bolas de nitruro de silicio están muy pulidas. La desventaja es que son difíciles de mecanizar, lo que las hace más caras que las bolas de rubí para usar en palpadores. Los palpadores de bola de nitruro de silicio son ideales para aplicaciones de producción que involucran sondeos repetitivos, especialmente con aluminio sin tratar. También funcionan muy bien en superficies abrasivas, como las producidas por mecanizado erosivo (EDM). En la mayoría de las aplicaciones, las bolas de nitruro de silicio durarán más que las bolas de rubí. Son una buena opción para casi cualquier material, excepto el hierro fundido.

La zirconia es el material de bola de elección cuando se prueba hierro fundido. La zirconia es una cerámica dura y muy pulida. Las propiedades mecánicas de la zirconia la hacen más adecuada que el rubí y el nitruro de silicio para su uso en hierro fundido.

A veces, un lápiz óptico debe ser conductor de electricidad. En este caso, se necesita una bola de carburo o de acero templado. Las bolas de acero suelen estar disponibles en una mayor variedad de diámetros que las bolas de carburo y, por lo general, cuestan menos. Por lo tanto, las bolas de acero endurecido suelen ser la mejor opción cuando todo el palpador debe conducir una corriente eléctrica.

Las bolas de cerámica (alúmina) son populares en diámetros de bola superiores a los ocho milímetros. La cerámica es más ligera que el acero o el carburo. Está muy pulido y resiste el desgaste. Las bolas de cerámica con diámetros superiores a ocho milímetros son menos costosas que las bolas de rubí equivalentes. Sin embargo, las bolas de cerámica a menudo se fabrican con un grado de esfericidad más bajo que las bolas de rubí. Una bola de cerámica típica de 10 mm se muele a una esfericidad de grado 25, mientras que una bola de rubí típica será de grado 10. Pero la bola de rubí cuesta más. Surge una compensación entre precio y precisión con estas bolas de gran diámetro.

Las bolas de diamantes aparecieron hace unos diez años. Las primeras ofertas tenían un tamaño limitado y los precios eran impresionantes. El diamante es, por supuesto, la sustancia conocida más dura. Al igual que el rubí, los diamantes cultivados en laboratorio se utilizan para crear bolas de diamantes. Cuando se usa en un dispositivo de medición por contacto como una CMM, una bola de diamante no se desgasta. Los tamaños de las bolas de diamante han aumentado un poco, pero sus precios siguen siendo altos en relación con el rubí o el nitruro de silicio.

EL TALLO

El carburo de tungsteno es el material más utilizado para los vástagos de los palpadores. El carburo es relativamente fácil de mecanizar y tiene una excelente rigidez. Se puede moler a diámetros muy pequeños. Sin embargo, es pesado, una propiedad que a menudo entra en conflicto con los sistemas de sonda de alto rendimiento sensibles al peso del palpador. No obstante, el carburo sigue siendo el material elegido para la mayoría de los palpadores fabricados en la actualidad. Cuando se utilizan bolas de entre 0,2 mm y 1,5 mm de diámetro, el carburo es la única opción.

Si el peso de la aguja es una preocupación, recomendamos fibra de carbono. La fibra de carbono es ligera y rígida. Es resistente a las fluctuaciones térmicas, una propiedad deseable en el taller. La fibra de carbono suele ser una buena opción para palpadores muy largos. La desventaja de la fibra de carbono, sin embargo, es la flexión que exhibe en ejes largos y delgados. En estos casos, a menudo sugerimos una potencia de cerámica como alternativa a la fibra de carbono, para ayudar a mantener el peso bajo y la rigidez alta.

Los vástagos cerámicos se utilizan comúnmente en sistemas de sonda de máquina herramienta. Un vástago de cerámica ayuda a garantizar que, en caso de colisión, el palpador se rompa primero, lo que evita daños en el cabezal de la sonda o en la máquina herramienta. La cerámica es ligera, rígida y quebradiza. Los palpadores con ejes cerámicos de más de 150 mm se rompen fácilmente. La fibra de carbono es la mejor opción para una potencia ligera de más de 150 mm.

Los vástagos de acero inoxidable se fabrican fácilmente pero son propensos a desviarse. La desviación, o la flexión, suele ser inaceptable en la medición de precisión. Aunque los vástagos de acero inoxidable se mecanizan a partir de una sola pieza de acero, no los recomendamos excepto cuando el coste de la aguja sea más importante que su rendimiento.

Algunos clientes necesitan palpadores no magnéticos. Requieren un eje de cerámica o fibra de carbono con una base roscada de aluminio anodizado duro. Sin embargo, debido a la base de aluminio, los tamaños de rosca son limitados.

LA BASE ROSCADA

El acero inoxidable es la opción más popular para las bases roscadas. Es económico y fácil de mecanizar, propiedades que ayudan a reducir los costos. Pero el acero inoxidable es más pesado que el aluminio o el titanio, lo que lo hace indeseable para su uso en sistemas de sondas sensibles al peso.

La demanda de bases de palpador de titanio está creciendo. Debido a que el titanio es más caro y más difícil de mecanizar que el acero inoxidable, aumenta el precio de la aguja. Sin embargo, el titanio es una excelente opción para una base roscada. Es ligero, resistente al desgaste y térmicamente estable.

El aluminio es más ligero que el titanio y el acero inoxidable. Es económico y fácil de mecanizar. Pero el aluminio es blando y se ve más afectado por las fluctuaciones térmicas. Debido a que es tan suave, las bases de aluminio están restringidas a tamaños de rosca más grandes. El aluminio es una buena opción cuando el peso de la aguja es un problema y la temperatura ambiente es relativamente estable.

PONIENDOLO TODO JUNTO

En respuesta a la evolución de los mercados, las MMC y los palpadores de las máquinas herramienta son cada vez más ligeros, más rígidos y más resistentes al desgaste. Hoy en día, existe una plétora de opciones de materiales al elegir palpadores para una CMM o una sonda de máquina herramienta.

Si no está seguro de cuál es la mejor opción para su aplicación en particular, comuníquese con el fabricante de la aguja para obtener asesoramiento. Saben qué materiales funcionan mejor y qué materiales evitar. Pida una recomendación.

Finalmente, los comentarios de los usuarios son muy útiles para su fabricante. Si un lápiz en particular funciona bien, pásele esa información. Si experimenta un desgaste excesivo u otros problemas con el lápiz óptico, infórmeselo también al fabricante.

Las características físicas de los materiales son una cosa. Las experiencias de la vida real pueden ser muy distintas. Trabajando junto con usted, el fabricante de su palpador puede ayudarlo a optimizar sus procesos de medición. Después de todo, ahora hay muchas opciones.

marca osterstockes el presidente de Q-Mark Manufacturing Inc. Para obtener más información, llame al (949) 457-1913, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.cmms.com