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Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución experimentada por la tecnología de fabricación en los últimos 10 - 15 años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de comunicación, etc., están revolucionando el mundo en general y en particular el mundo empresarial. En el campo que nos concierne, mecanizado-fresado, “el cambio o la revolución” ya ha llegado y, aunque todavía queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad que muchas empresas y mucha gente todavía desconocen.

El MAV hoy en día es una tecnología de corte con bases sólidas que abre las puertas del mecanizado de materiales y figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, como por ejemplo: materiales con una dureza superior a 50 Hrc o paredes delgadas de 0.2 mm., etc.

2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD?

Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? Es mecanizar a altas velocidades de husillo (n)? Es mecanizar a altos avances (Vf)?

Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es que no significa obligatoriamente mecanizar a altas revoluciones de husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro (25 - 30 mm.). Las condiciones del proceso (velocidad de corte, avance, profundidades de corte radial y axial, etc.). dependerán del material a mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.

Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias características de maquinabilidad, lo que nos marcará los límites operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:

• Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados, titanio, níquel, etc.). • Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).

Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros de corte, estrategias de mecanizado, volumen de material extraído por unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de proceso en general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica muestra los rangos de velocidades de corte en función del material mecanizado.

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Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización del mecanizado con las posibilidades existentes limitado por la pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAM-CNC) disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional “para cada material”.

Un paso hacia el mecanizado óptimo

Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado un paso importante hacia el mecanizado óptimo de cada material. A medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas, herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc. se irá avanzando hacia la optimización general del mecanizado, en el que cada material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus herramientas, etc.

3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA?

La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el mecanizado en óptimas condiciones y la posibilidad de mecanizar algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte Vc (>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.

3.1 Un cambio de filosofía

1. Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

• Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.

• En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente mayor que el gasto de tiempo en mecanizado.

• Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a pie de máquina.

2. Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas, controles, etc.

• La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de mecanizado deseada y al perfil objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).

• CNC: Deben ser capaces de prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en el instante de tiempo siguiente (look ahead, nurbs, etc.).

• CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el MAV.

• La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la operación requerida. Los recubrimientos aumentarán la vida de las herramientas.

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El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone un cambio de mentalidad y necesidades: es una tecnología que no tiene nada que ver con el mecanizado convencional.

El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja velocidad de corte por muchas pasadas rápidas de menor profundidad de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada (volumen de material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de corte y los elevados avances disminuyen las fuerzas de corte gracias a espesores de viruta cada vez más pequeños.

4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV

• Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles, posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm.) • Mayor precisión de los contornos , mejor calidad superficial y tolerancias dimensionales más precisas • Reducción del tiempo de pulido • Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado • Mecanizado de paredes finas • Reducción del tiempo de mecanizado y coste global • Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta • Evacuación casi total del calor por medio de la viruta • Aumento en la vida de la herramienta • Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera mecanizado en caliente

5. CONCLUSIÓN

Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado, pero supone una oportunidad de optimización en determinados campos de aplicación.

Herramientas para mecanizado a alta velocidad

1. INTRODUCCIÓN:

En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV no existiría si no se dispusiera de herramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadas temperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las herramientas suponen actualmente una limitación en el mecanizado. Una limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las causas más comunes por las que se desgastan las herramientas:

- Desgaste por abrasión: desgaste producido por el contacto entre materiales más duros que la herramienta y la propia herramienta rayándola y desgastándola.

- Desgaste por adhesión: cuando en la zona de corte debido a las altas temperaturas, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.

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- Desgaste por difusión: desgaste producido por el aumento de la temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta.

- Fallas mecánicas: fallas producidas por estrategias, condiciones de corte, herramientas, etc. inadecuadas.

El material de la herramienta debe cumplir con habilidades específicas tales como:

- Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformación pero tenaz para resistir los cortes intermitentes e inclusiones.

- Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y estable para resistir la oxidación, para evitar que se genere el filo recrecido y desgaste prematuro.

Estas propiedades permitirán mecanizar con altas velocidades de corte, aumentar la vida de las herramientas, permitir obtener la mejor calidad superficial y dimensional posible en la pieza a mecanizar.

Pero, ¿cómo sabremos qué herramientas utilizar, qué papel juega cada una de sus propiedades? ¿Cómo seleccionaremos la herramienta adecuada para cada material? Y, para cada aplicación en concreto, ¿cuáles son los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta como en la calidad superficial de la pieza: los recubrimientos, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado, longitud de la herramienta, etc.?

Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un estudio de las herramientas.

2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:

Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres campos clave en una herramienta: (material de la herramienta), geometría y recubrimiento.

2.1. Sustrato

Aceros: para trabajos en frío o en caliente - No se utilizan en el MAV

Acero rápido : una aleación de metales que contiene alrededor de un 20% de partículas duras. Apenas se utilizan en el MAV.

Carburo cementado o metal duro : hecho con partículas de carburo unidas por un aglomerante a través de un proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC). El aglomerante típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de aluminio y silicio.

Carburo cementado recubierto : la base de carburo cementado es recubierta con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV (deposición química por vapor), PVD (deposición física por vapor) y MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen equilibrio entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.

Cermets (CERamic / METal) : Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El aglomerante es níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad química y dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran dureza y resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCy MoC añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de fresado.

Cerámicos : Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al2O3) y las de nitruro de silicio (Si3N4). Son duras con alta dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales

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de la pieza. Sin embargo son muy frágiles. - Ideales para el mecanizado de piezas en duro y como reemplazo de las operaciones de rectificado. ·

Nitruro de Boro Cúbico (CBN) : Es uno de los materiales más duros. Ocupa el segundo lugar después del diamante. Dureza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidad química durante el mecanizado. Es frágil, pero más tenaz que las cerámicas.

Diamante policristalino (PCD) : Es casi tan duro como el diamante natural. Este diamante sintético tiene una increíble resistencia al desgaste y una baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida de la herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas de corte no deben exceder 600 ºC, no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, y no sirve para cortar para materiales tenaces.

2.2. Geometría

Espiga (cuello) cónica : Con el fin de mejorar la rigidez.

Alma de gran diámetro : Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las vibraciones y el riesgo de mellado de los filos. Menor flexión y una mejor tolerancia de la pieza mecanizada.

Cuello de la herramienta rebajado : Mayor alcance en cajeras profundas. Evita el contacto y los roces. Reduce las vibraciones.

Mango cilíndrico largo : Para una mejor sujeción y equilibrio.

Ángulo de desprendimiento negativo (-15º) : Mayor estabilidad y resistencia del filo. Menor tiempo de contacto con la viruta. El calor se transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado superficial. Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la forma definitiva.

2.3 Canales de evacuación de viruta según el tipo d e material a mecanizar

Aleaciones ligeras : Arista muy viva para permitir un corte suave evitando la adherencia de material al filo. Herramientas de pocos labios (2) con ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuación de grandes caudales de viruta.

Materiales duros : Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez. Mucha hélice para disminuir la resistencia al corte y mejorar el acabado. Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta - menor absorción de calor, viruta corta.

Herramientas enterizas y de insertos :

Enterizas: Mayor precisión, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza. Disposición de herramientas de cualquier diámetro. Elevado coste. Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad de una estrecha relación proveedor-usuario.

De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional. Diámetros cercanos a los 8 mm. Solo metal duro para MAV. Normalmente para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad de reposición.

2.4 Recubrimientos

Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos:

• Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta. • Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte. • Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta. • Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza. • El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”. • Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor.

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2.4.1 Recubrimientos de TiAlN

Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN.

TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio aluminio que destacan por su dureza, estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.

• Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza 3.000 (Hv 0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas de corte de acero rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en mecanizados a altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad de lubricante. • Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones de mecanizado severas. Su elevada dureza, 3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºC, y química hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales térmicamente tratados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.

2.4.2 Recubrimiento de diamante

Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizado de estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies mecanizadas y la precisión dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya dureza es superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y poder aumentar las velocidades de corte, disminuyendo así de manera importante el tiempo de mecanizado, se consigue un buen acabado de la superficie y una buena precisión dimensional.

2.4.3 Recubrimiento WC/C

Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los 200 ºC. Al realizarse el proceso de recubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración, galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la última operación dentro de los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una combinación única de características: Bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.

2.4.4 Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado co n WC/C

Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formación y evacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y roscados.

Recubrimiento TiN TiCN WC/C TiAlN (monocapa) +WC/C

TiAlN (multicapa)

TiAlN (monocapa)

Microdureza 2300 3000 1000 2.600-1.000 3000 3500

Coeficiente de rozamiento contra el acero

0,4 0,4 0,2 0.2 0,4 0,4

Temperatura máxima de trabajo

600 400 300 1000 800 800

Color oro-amarillo

azul-gris

gris oscuro violeta-gris púrpura-gris

Espesor del recubrimiento 1-4 1-4 1-4 2-6(1/3 wc/c; 2/3 TiAlN)

1-5 1-3

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Portaherramientas para máquinas de alta velocidad

El objetivo de este capítulo es presentar los distintos tipos de portaherramientas que existen actualmente en el mercado para el mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones existentes entre el desequilibrio y los diferentes tipos de portaherramientas.

1. INTRODUCCIÓN

El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de concentricidad de la herramienta de corte con el fin de evitar errores y aumentar la seguridad del proceso en el mecanizado a altas revoluciones de corte. Actualmente los conos portaherramientas más utilizados son los especiales tipo HSK. También se utilizan los conos SK 40 & 50 (DIN 69871) y BT 40 & 50.

Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los portaherramientas más convencionales, se resumen en los siguientes puntos:

• Proporcionan mayores exactitudes de cambio y repetitividad. • Transmisión segura de un elevado par con un posicionamiento radial definido (ausencia de run-out). • Gran rigidez a la flexión estática y dinámica. • Disminución del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen los problemas de tipo inercial.

2. AJUSTES

El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser extremadamente preciso. Los diferentes sistemas empleados para el ajuste de herramientas en los portas de alta velocidad son:

Mecánico : Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste de tuerca y pinza (porta-pinzas). En el caso de tuerca de gran apriete, la pinza es cilíndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuerca normal, la pinza es cónica.

Hidráulico : No es una opción muy recomendable, ya que al girar a altas revoluciones (a partir de 20000 rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar el salto radial de la herramienta. Las ventajas que presenta este portaherramientas es que no necesita ningún mecanismo secundario, sin embargo el coste individual del portaherramientas (sin contar el mecanismo de calentamiento de los térmicos) es más elevado que los térmicos.

Térmico : El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento, con lo que aumenta el diámetro interior por dilatación. Una vez dilatado se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso de contracción queda sujeta la herramienta. Esta opción es la mas recomendada, pero actualmente también es la mas compleja y cara, ya que obliga a disponer de un porta por diámetro de herramienta, y un dispositivo térmico auxiliar para la sujeción.

La elección del tipo de portaherramientas dependerá del centro de mecanizado y la precisión con la que se piense trabajar.

En la tabla adjunta se muestra la precisión proporcionada por cada uno de los sistemas de amarre comentados en párrafos anteriores:

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Útil Precisión (m/m)

Portapinzas convencional 0.015

Portapinzas tipo Weldon 0.020

Portapinzas hidráulico 0.003

Porta de deformación mecánica 0.003

Porta de dilatación térmica 0.003

A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente pequeños pueden producir fuerzas peligrosamente altas en los rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminución de la vida útil del mismo.

3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO

Los efectos negativos del desequilibrio de la herramienta/portaherramientas pueden ser divididos en dos categorías:

Efectos sobre la pieza mecanizada: rechinar de la superficie metálica causadas por el movimiento de la herramienta de corte. Otro efecto es la imposibilidad de conseguir tolerancias muy precisas.

Efectos sobre la máquina: Son más destructivos que los efectos sobre la pieza mecanizada. Las fuerzas centrífugas causan grandes tensiones internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un fallo prematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de producción de una máquina de alta velocidad durante semanas con el fin de sustituir el husillo de precisión, operación que no está exenta además de un alto coste económico. Otro efecto del desequilibrio está relacionado con la reducción de la vida de la herramienta de corte (50% menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).

Fig. 1. Fig. 2.- Comparación entre vástagos HSK y CAT (SK)

En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su fabricación a las revoluciones que exige el cliente (G6.3, G2.5…). El portaherramientas que ofrece un mayor grado de equilibrado es el térmico; sin embargo existen equipamientos externos que nos permitirán un equilibrado más preciso. Para el mecanizado a alta velocidad, lo ideal sería reequilibrar el conjunto herramienta / portaherramientas / husillo en la propia máquina herramienta. No obstante, hoy en día, existen muy pocos sistemas para un equilibrado completo, por lo que hay que hacerlo en una máquina de equilibrado externa.

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Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía mecánica se transforma en energía térmica a través del cizallamiento, corte y fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta. Aunque gran parte de la energía es evacuada por las virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al punto de corte y a la cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación de energía provoca fenómenos no deseados en el proceso de mecanizado:

a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.

b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisión geométrica disminuye debido a la expansión de la herramienta y de la pieza con el calor.

En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales: lubricación, refrigeración y retirada del material excedente

Lubricación : Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta mediante la disminución de la fricción entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así como entre la cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan directamente en el punto de fricción, creando una capa protectora en esa zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramienta y la pieza.

Refrigeración : Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado durante el proceso por el rozamiento entre pieza y herramienta, además del calor generado por deformación plástica en el proceso de formación de la viruta.

Retirada del material excedente . La evacuación y transporte de las virutas es una de las funciones más importantes de los fluidos lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la pieza e influyen en la precisión final del componente mecanizado. Por otra parte, las virutas tienen un alto impacto en la vida de la herramienta cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas en el punto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de descascarillado en los filos de corte.

2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES

Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes más efectivos en términos de productividad de los procesos de mecanizado, aunque también tienen un factor indeseable.

En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental de los procesos de fabricación han sido objeto de amplios estudios y consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo se vuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan debido al calor generado en el proceso de corte. Los lubricantes poseen gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfúrico) que tienen alta influencia no sólo en la salud de los operarios sino también en el posterior tratamiento y almacenaje de los residuos.

3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES

En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos aspectos que hacen a este proceso un tanto peculiar en referencia al uso común de lubricantes y refrigerantes.

En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta es extremadamente corto debido a la alta velocidad de giro del cabezal, por lo que la transferencia de calor a la herramienta es también pequeña y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de lubricación. Esta presunción es siempre dependiente del material que estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende del coeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a la mayoría de aceros, en algunos tipos de aleaciones ligeras (aluminio y magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleaciones de baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).

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El desarrollo de recubrimientos de última generación, con una excelente resistencia a alta temperatura favorecen la posibilidad de realizar el mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con una mínima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).

Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista económico y medioambiental, la industria está sugiriendo nuevos procesos y métodos de lubricación. El paso más lógico para evitar estos problemas es el mecanizado en seco. Algunas herramientas recubiertas de cerámica, carburo de tungsteno con carbono (WC/C), nitruro de titanio-aluminio (TiAlN), bisulfuro de molibdeno (MoS2), diamante, etc., han demostrado un excelente comportamiento en el mecanizado en condiciones de ausencia de lubricación. Estos materiales de recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen incrementos de vida de herramienta de entre el 30 y el 70%. Sin embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben ser consideradas como particularmente críticas.

En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100% por cualquier razón tecnológica, el mecanizado MQL proporciona una alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que la cantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 - 0.5 ml/min, tanto la herramienta como la pieza permanecen secas, con lo que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así como los riesgos a la salud de los operarios.

Sistemas de lubricación MQL externo e interno

En el mecanizado con lubricación MQL la función de refrigeración se consigue a través de la gran cantidad de aire que se insufla en la zona de corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza se consigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.

Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad ha llegado a ser una tecnología extendida en el sector industrial, las empresas que desarrollan software han pretendido “no perderse el carro” de la innovación, colocando el sello “Software para el mecanizado de Alta Velocidad” en sus productos.

Esta campaña de marketing ha supuesto el desconcierto entre los usuarios, primero por conocer si su paquete de CAD/CAM está o estará a la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en sus empresas un software de alto nivel y les es difícil “despejar el camino”.

A continuación describimos las diferentes estrategias de corte que se emplean habitualmente en las operaciones de mecanizado a alta velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema de CAD/CAM que quiera competir en el área del mecanizado de alta velocidad.

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2. OPERACIÓN DE DESBASTE

Raster: esta trayectoria se genera a partir de un ángulo dado en XY, manteniendo un con paso lateral ae y un paso vertical ae. El software debiera incluir por defecto diferentes opciones para adaptarse al mecanizado de alta velocidad, como son radios en los cambios de dirección, entradas en espiral, etc.

Trocoides o Epicicloides: pocos paquetes incorporan este tipo de estrategia avanzada. La novedad de esta forma de trabajo es que se consigue evacuar grandes volúmenes de material con bajos niveles de consumo de potencia del cabeza, caso que es muy frecuente en los centros de mecanizado de alta velocidad.

Perfilado u Offset: consiste en obtener trayectorias siguiendo el contorno de la geometría. De la misma manera que la trayectoria Raster, el software debiera incluir por defecto diferentes opciones para adaptarse al mecanizado de alta velocidad como son radios en los cambios de dirección, entradas en espiral, etc.

Entradas en Z: debe de incorporar diferentes formas de entrar la herramienta sobre la pieza: taladro, rampa o espiral, ésta última es la más recomendable para salvaguardar la integridad de la herramienta.

Arcos: el software debiera generar automáticamente radios o arcos para evitar paradas bruscas ante un cambio de trayectoria.

Cambios de Dirección: es necesario tener un control total de la trayectoria programada, el software nos debe permitir en todo momento cambiar la dirección de mecanizado.

Mecanizado de restos: El paquete de CAD/CAM debe reconocer de forma automática zonas que no ha mecanizado una herramienta anterior.

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Edición de las sendas de mecanizado: en muchos de los casos es necesario modificar la senda de mecanizado obtenida de forma automática para hacerla coincidir con zonas concretas de la geometría, el paquete de CAD/CAM debe permitir editar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...

Minimizar los movimientos de trabajo con el diámetro de la herramienta: el software nos debiera proponer unas trayectorias de mecanizado evitando que la herramienta mecanice con todo su diámetro.

3. OPERACIONES DE ACABADO

En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas trayectorias por lo que el software debe ser muy flexible.

ZIG-ZAG o Raster

Estrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAM incorpora, la senda de mecanizado se proyecta con un ángulo programado

Planos en Z

La senda de mecanizado contornea la geometría con pasos verticales constantes. .

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Espiral

Se proyecta la forma de una espiral sobre la pieza

Radial

El software proyecta radios sobre la geometría con una separación que se introduce por el usuario

Offset

En esta estrategia se mantiene constante el paso lateral proyectado sobre la superficie para lo cual, realiza una reducción del contorno sobre toda la superficie de la pieza.

Mecanizado por zonas

El software debe dar la posibilidad de dividir la pieza por zonas y así, mecanizar cada zona con la estrategia que más convenga.

Límites

El paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crear límites sobre las superficies con objeto de crear estrategias por zonas.

Bitangencias

El software debe incorporar la posibilidad de seleccionar zonas de unión de superficies con radios de curvatura pequeños

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4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO

El software debe incorporar la posibilidad de simular las estrategias de mecanizado. A pesar que existen software específicos para la simulación de las trayectorias, somos de la opinión que esta opción debe estar incorporada como una herramienta más dentro del propio programa de CAD/CAM

Controles numéricos para MAV

1. INTRODUCCIÓN

Las aplicaciones de alta velocidad en máquina herramienta exigen un nivel mínimo de prestaciones a los CNC’s que gestionan el proceso de mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altas velocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de precisión requerido.

El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el intérprete del programa, el cual descifra el programa escrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado en el interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es necesario realizar una serie de transformaciones como compensación de la geometría de la herramienta, escalado, rotación, cinemática de la máquina, etc. Después, el interpolador actúa enviando a los servos las consignas adecuadas.

En aplicaciones de contorneado, la forma más habitual de especificar las trayectorias que debe seguir la herramienta está basada en la generación de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan interpolaciones lineales. Cuanta más precisión se exige, mayor es el número de puntos, y el hecho de tener que procesar toda esa cantidad de información con precisión y a gran velocidad impone la adopción de soluciones específicas en los controles numéricos para alta velocidad.

EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los diferentes errores que se producen dentro de las tolerancias establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como cabe esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de avance que se requieren. En los siguientes puntos se analizan las prestaciones que puede disponer un CNC para trabajar en alta velocidad.

Existen en el mercado numerosos fabricantes de CNCs especialmente diseñados para el mecanizado de alta velocidad, entre ellos podemos citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num, etc.

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CNCs Fidia para alta velocidad

2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD

2.1 Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre entre cada medida de posición y actualización de la consigna que el CNC envía a los diferentes servoacionamientos.

El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclo del servo de 1 ms, se tiene que por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se ha movido 0,2 mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs dispongan de tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con precisión con valores de avance rápidos.

El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en cuenta para mecanizar rápido con precisión. Los CNCs para alta velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del orden de unos 100µs.

2.2 Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque es el mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques del programa de CNC. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar un dato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones...), y además iniciar y terminar el movimiento en cuestión. En alta velocidad, y especialmente para aplicaciones de contorneado, es habitual exigir tiempos de proceso de bloque de 1 ms.

La velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisión determinada depende de la capacidad de aceleración de la máquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de la capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de ejecución del mecanizado.

Interface digital con los accionamientos. Accionami entos digitales

El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, permite a éste disponer de más información sobre el estado de los accionamientos así como influenciar el comportamiento de los lazos. Los accionamientos digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:

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• Alta resolución digital en la monitorización de la velocidad y la trayectoria.

• Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:

⇒ Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también conocidos como feed-forward de velocidad y aceleración. Se trata de controles en avance que permiten una importante reducción de los errores de seguimiento ante cambios de consigna.

⇒ Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la amortiguación del sistema electromecánico para poder incrementar el valor de la ganancia Kv del lazo de posición y trabajar con un mayor grado de precisión.

⇒ Compensaciones de fricciones estáticas y holguras

• Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo osciloscopio o analizador de frecuencias integrados.

• Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales como la implementación de filtros digitales.

2.3 Look-Ahead

Quizás una de las prestaciones más importantes de la que es necesario que cualquier CNC disponga para trabajar en alta velocidad sea la función “look-ahead” (mirar en adelanto). En la función Look-Ahead el procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en el programa de pieza que se está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo a la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la máquina mantener el avance a valores relativamente altos evitando marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la máquina, por medio de ir ajustando la velocidad mirando el programa por adelantado.

Look ahead: Fuente Siemens

No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia en función de los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina (menor aceleración), mayor número de bloques Look-Ahead serán necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en Look-Ahead que el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones innecesarias. El número típico en alta velocidad está por encima de 100 bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000 bloques.

2.4 Control de aceleraciones

El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la mecánica de la máquina herramienta y provoca vibraciones en los ejes. Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo que hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el comportamiento de la máquina.

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Perfiles de aceleración

Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curva trapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una función sen2.

Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar el valor de la velocidad y reducir el error.

2.5 Capacidad de almacenamiento. Ethernet

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de piezas en 3D, ocupan varios megas de memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.

Los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duros con capacidades de almacenamiento de gigas, por lo que el problema del espacio que existía antiguamente ya no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las ventajas añadidas que supone una conexión de este tipo en cuanto a la transmisión y utilización de cualquier tipo de información.

2.6 Interpolación polinómica. NURBS

Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemáticos que definen exactamente una curva o superfice a partir de varios puntos de control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unos pesos asociados a los mismos. Los pesos actúan esencialmente como la gravedad, produciendo deformaciones en la dirección de los puntos de control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor será el número de puntos de control que deberá especificarse, pero, en todo caso, el número de puntos generados será menor que el necesario utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. La reducción en el número de puntos manejado en las curvas habituales está en una proporción de entre un 30 y un 50%.

El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa evidentemente de la disponibilidad de un CNC con interpolador polinómico, capaz de procesar la información codificada en esta forma.

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Ejemplos de curvas NURBS

Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con NURBS para la definición de curvas y superficies. La disponibilidad de un CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminación de un paso intermedio generador de error a la hora de aproximar una trayectoria curva a una de multitud de tramos rectos, con el consiguiente incremento de la calidad superficial, disminución de la talla del fichero de la trayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.

La reducción del volumen de datos que se obtiene con la especificación de las trayectorias mediante NURBS tiene importancia en el caso de utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hasta fechas recientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y con la posibilidad de aplicar la función look-ahead, diluyen algunas de las ventajas del uso de los NURBS.

En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema electromecánico.

3. CONTROLES ABIERTOS

Los fabricantes de CNC's actuales están apostando cada vez más por los denominados controles abiertos, los cuales básicamente aprovechan la arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias, poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.

La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos sistemas abre enormemente las posibilidades de los CNCs actuales. De esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado para el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes, diferentes de los fabricantes de CNCs.

4. CONCLUSIÓN

Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el mecanizado de alta velocidad, cabe destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo de servo que, junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas aceleraciones y velocidades de los ejes. También hay que subrayar la necesidad de disponer de algoritmos de look-ahead para obtener altas velocidades de ejecución de los programas.

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Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a procesos de mecanizado en los cuales la velocidad de corte se ha incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a gran parte de las tecnologías implicadas en el proceso de corte.

Uno de los elementos clave es, evidentemente, la máquina herramienta, a la cual se le exige un mayor grado de rapidez y precisión, lo que hace que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren una importancia fundamental en el buen hacer de la misma.

Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades de avance superen los 100 m / min, y más importante quizás que el valor del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando se mecanizan formas complejas, considerándose necesarios valores de al menos 1g o incluso mayores.

Hoy por hoy, la tecnología de los accionamientos en máquina herramienta está dominada por los servomotores rotatorios usados en conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisión como los husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo dichos componentes los que limitan en la actualidad los valores de velocidad y aceleración alcanzables. Los motores lineales juntamente con potentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de prestaciones para máquinas herramienta de alta velocidad.

2. ¿QUÉ ES UN MOTOR LINEAL?

La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.

Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.

Integración de un motor lineal en un carro de máquina herramienta

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1. ¿Qué ofrecen los motores lineales?

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en el mejor de los casos. Las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica, que debido a su elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando la dinámica y la ganancia del factor Kv. La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas:

• Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min. • Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importante que el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso más. • Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente • Reducción de los niveles de vibración Mayores cursos sin comprometer el grado de prestaciones

La tabla muestra una pequeña comparación entre las prestaciones típicas que ofrecen los motores lineales y los husillos a bolas

Husillo a bolas Motor lineal

Velocidad máxima 0,5 m/s 2 m/s (3 ó 4 posible)

Aceleración máxima 0,5 – 1 g 2 – 10 g

Rigidez dinámica 9 – 18 kgf/mm 6– 21 kgf/mm

Tiempo posicionado 100 ms 10 – 20ms

Fuerza máxima 26.700 N 9.000 N/bobina

Fiabilidad 6.000 – 10.000 h 50.000 h

Fuente: High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief

Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de motores lineales presenta una serie de inconvenientes. Una de las pegas de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que se genera, por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeración y/o aislamiento térmico de los accionamientos para que puedan operar con precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, las dilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina pueden comprometer su nivel de precisión y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La no existencia de elementos de transmisión mecánica que amortigüen los cambios de carga repentinos, o cualquier otro tipo de perturbación mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controlador electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido parta mantener la estabilidad. Es habitual emplear técnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores se utilizan en condiciones dinámicas exigentes.

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Módulo de mecanizado basado en motores lineales, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10 m/s2

4. CONCLUSIONES

Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales, proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad, aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas, abriéndoles un amplio campo de aplicación y de futuro. Sin embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos rotatorios de forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales en diseños ya existentes, sino que es necesario realizar un completo rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que ofrecen. Es necesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevos desarrollos.

La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad

En este capítulo se profundizará en las soluciones constructivas de las máquinas-herramienta preparadas para aplicaciones de alta velocidad.

Este estudio se basa únicamente en los centros de mecanizado (de fresado) y no se tienen en cuenta otras máquinas de arranque de viruta como tornos, abrasión (rectificadoras) o electroerosión. El concepto de mecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para muchas de estas tecnologías, pero sólo se tratarán los centros de mecanizado (fresadoras) para arranque de viruta.

Para afrontar el estudio de las soluciones constructivas de las máquinas-herramienta hay que definir primero las necesidades funcionales de las mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa y cuantitativamente diferentes dependiendo de la aplicación de la máquina. En el caso de una máquina diseñada para el mecanizado de moldes de inyección de plásticos, donde el acabado de las superficies complejas de 3D es lo más importante, los conceptos de precisión (±0,002 mm), falta de vibración (<0,002 mm, pico a pico) y requerimientos de Vc (aprox. 300 m/min) serán muy diferentes a una máquina concebida para el mecanizado en serie de piezas de aluminio o magnesio de fundición, donde lo que prima son las aceleraciones, velocidades de posicionamiento y minimización de los tiempos de no-corte.

Se intentarán agrupar todas las necesidades en los rangos más estrictos para cualquier aplicación. En otro capítulo se retomarán estas necesidades para máquinas concretas y aplicaciones diversas.

1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-HERRAMIENTA

En un capítulo anterior se han definido los parámetros de aplicación deseados para la máquina perfecta de alta velocidad. Ahora queremos traducir estos parámetros en parámetros funcionales de la máquina.

Los parámetros de aplicación: velocidad de corte (Vc), cantidad de material desalojado (MRR) y avance para diente (fz) son fácilmente relacionables con conceptos funcionales tales como velocidad de cabezal (S),

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potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez, amortiguación, precisión o estabilidad térmica, se interrelacionan y afectan a muchos de los sistemas de la máquina-herramienta, haciéndolos algunas veces incompatibles con los requerimientos funcionales.

1.1 Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S)

La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la herramienta cuando el cabezal gira a las revoluciones necesarias para arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de la velocidad angular del cabezal S, (rpm) y el diámetro de la herramienta, Øherramienta (mm). Sabemos por capítulos anteriores que, con estas magnitudes, la velocidad de corte se calcula según la ecuación:

donde: Rmax = rugosidad máxima teórica (mm) y R = radio de la herramienta (mm)

Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobretodo, los nuevos recubrimientos permiten mecanizar a más altas velocidades de corte, la máquina debería aumentar proporcionalmente la velocidad angular de su cabezal.

La velocidad angular máxima del cabezal de la máquina-herramienta depende de un parámetro básico de diseño. La Vc depende, aparte del tipo de herramienta, de su diámetro y del material que se está mecanizando y, por tanto, de la aplicación a la que esté destinada la máquina.

Así pues, para materiales ligeros como el aluminio o el magnesio las velocidades de corte que se pueden conseguir con herramientas adecuadas llegan a 1500 m/min, mientras que para titanio es posible, con suerte, llegar a 80 m/s. La variación es grande. Además, las herramientas con las que podemos llegar a cortar con alta velocidad son de Ø 25 mm. (muchas de las aplicaciones aeronáuticas en aluminio) hasta a Ø 1 mm. o incluso menores (para mecanizar directamente acero templado para moldes de inyección de plásticos).

Por tanto, y poniendo algunos de los casos más típicos, la velocidad angular máxima del cabezal tendría que ser como se muestra en la tabla 1.

Material Vc Herramienta mínimo

Velocidad angular (S)

Aeronáutica: piezas de estructuras Aluminio 1200 15 25.500

Moldes de inyección de plásticos multicavidad de precisión

Acero DIN 1.2344

220 1 70.000

Aeronáutica: piezas estructurales Titanio 60 Ø 10 1.900

Tabla 1.- Velocidad angular máxima del cabezal

Con estos valores se comprueba que las diferencias de velocidad angular de cabezales entre diferentes aplicaciones son evidentes. Estos valores son valores teóricos que, en la práctica, se pueden ver limitados para la potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida útil del cabezal o para los avances de mecanizado requeridos en estas velocidades angulares del cabezal. De todo esto se hablará en el apartado 2.

1.2 Avance por diente (f z) y avances de trabajo (F)

El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre el corte de uno de los dientes y el siguiente. Es decir: el avance por diente es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valor está limitado para la rigidez del alma de la herramienta y para la potencia que puede generar el cabezal.

La rigidez de la herramienta depende fundamentalmente de su geometría y su material constructivo, por tanto, el valor de fz (mm) es una característica tecnológica que ha de ser informada por el fabricante de herramientas. Así pues, fz y Vc, son las dos características tecnológicas que determinan el proceso de arranque de viruta, y las dos las determina la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).

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El avance por diente es directamente proporcional al avance de mecanizado (F) e inversamente proporcional a la velocidad angular del cabezal (S) como se indica en la ecuación 3.3, donde z es el número de dientes de la herramienta.

Con esta relación vemos que, para una fz determinada para la herramienta y con la velocidad angular del cabezal cada vez mayor gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de aumentar en la misma proporción. Y prosiguiendo con los mismos ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 según:

Material Z Herramienta mínimo

Velocidad (S)

Avance por diente (f z)

Avance de trabajo (F)

Aeronáutica: piezas de estructuras

Aluminio 3 15 25.500 0,25 19.125

Moldes de inyección plásticos

Acero DIN 1.2344

2 1 70.000 0,05 7.000

Aeronáutica: piezas estructurales Titanio 3 Ø 10 1.900 0,2 1.140

Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente

Se observa también en esta tabla, como en la Tabla 1, que la variación de resultados, en este caso de F, es enorme. De todas maneras, el dato más interesante es que en el mecanizado de alta velocidad (de corte) también los avances han de aumentar, y este factor es más importante que la velocidad angular del cabezal porque afecta de forma directa la dinámica de los ejes coordenados y por tanto a la estructura de la máquina. Es de vital importancia entender que una fresadora de alta velocidad no es una fresadora convencional de control numérico con un cabezal de elevada velocidad de rotación.

La tabla 2 evidencia que la máquina de alta velocidad ha de ser concebida desde un inicio de forma diferente.

1.3 Volumen de material desalojado por unidad de ti empo (MRR: “Metal removal rate”) y potencia del cabezal

El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal removal rate”) se mide en cm3/min. y tiene relación directa con la potencia que necesita el cabezal para arrancar este material según la ecuación:

Ecuación 1

donde: Ps = potencia necesaria en la punta del cabezal

MRp = constante que define la cantidad de material desalojado por unidad de potencia (cm3/min./Kw).

El factor MRp depende de la geometría, el estado de la herramienta y del material. Siguiendo con los ejemplos del apartado anterior se obtienen las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencia necesaria en el cabezal:

Material Avance de trabajo (F) Ae Ap MRR MRp Ps

Aeronáutica: piezas estructuras Aluminio 19.125 15 15 4303 71,4 60,2

Moldes inyección plástico Acero DIN 1.2344 7.000 0,4 0,04 0,112 14,7 0,008

Aeronáutica: piezas estructurales Titanio 1.140 6 5 34,2 20 1,8

Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello

De nuevo se observa que las potencias necesarias en la punta del cabezal difieren mucho entre las distintas aplicaciones.

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1.4 Relación de tiempo de corte y tiempo de no-cort e

Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente, la reducción del tiempo del proceso de mecanizado. Hasta ahora se ha visto el mismo proceso tecnológico, pero en el proceso total de fabricación de una pieza intervienen otros tiempos donde la máquina no “elimina material”, que pueden ser denominados tiempo de no-corte (del inglés: “non-cutting time”). Este incluye los tiempos de carga y descarga de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vacío de los ejes y aceleración y desaceleración del cabezal.

Todos estos factores son más importantes cuanto menores sean los tiempos de mecanizado. Esta relación de “tiempo de corte”/”tiempo de no-corte” determina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte en una máquina.

Por ejemplo, en un molde donde el tiempo de mecanizado de una pieza mediana (ie: carcasa de un teléfono) es de 20 o 30 horas, los tiempos perdidos por carga y centrado de pieza (15 min.), cambios de herramienta, etc., son prácticamente despreciables y por tanto no serán valores muy importantes. En cambio, en el mecanizado de una pieza de pre-fundición de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar son muy pequeños y la cantidad de herramientas es grande para la especialización de las mismas, los tiempos sumados de no-corte pueden llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, la reducción de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la reducción del tiempo de mecanizado.

En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a la producción de piezas en serie tienen en cuenta las siguientes características.

1.4.1 Aceleración / desaceleración del cabezal

Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo más rápidamente posible.

Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo sólo 2 o 3 segundos si se utilizan condiciones de alta velocidad (S=15.000 rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajo supusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad el rendimiento del proceso sería extremadamente pobre. En el apartado 2 se verá que este factor afectará a menudo el diseño del tamaño de los rodamientos del cabezal.

1.4.2 Tiempo de cambio de herramienta

En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la acción que más hace aumentar el tiempo de no-corte. Por este motivo, los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado sistemas de muchos tipos para reducirlo.

En algunos diseños de máquina el cambio de herramienta determina hasta la configuración de los ejes, y se sacrifican otros factores importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de ineficacia. En el apartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuestas.

1.4.3 Avance en rápido y aceleraciones / desacelera ciones de los ejes

Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los tiempos de posicionamiento. En las piezas donde hay muchos procesos de agujereado, roscado, etc., los tiempos de posicionamiento son muy importantes. Los avances en rápido no son los únicos responsables de minimizar estos tiempos.

Las piezas de producción son a menudo de dimensiones reducidas, y los posicionamientos de operación a operación son de menos de 100mm. Si la velocidad máxima de la máquina es de 50 m/min. pero se necesitan 400 mm. para conseguir esta velocidad, la solución es inválida. Por tanto las aceleraciones son muy importantes y, por ello, a menudo los datos son dados en tiempos requeridos para posicionamientos de ciertas dimensiones.

La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma vital en el diseño de los sistemas de accionamiento, guías, y estructura de la máquina para conseguir dinámicas muy interesantes. Pensamos que en las máquinas de producción se puede hablar de velocidades superiores a los 50 m/min. y aceleraciones superiores a 1G.

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Otra consideración tiene los ejes rotativos que están a menudo aparte de los tiempos de posicionamiento, y requieren tiempos de enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas al mecanizado. Muchas piezas de éstas son tan importantes como las de posicionamiento de los ejes coordinados.

1.4.4 Tiempo de cambio de palet

En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se minimizan utilizando cambios de palet (o tabla) para poder hacer la preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una estación externa. Entonces el único tiempo que provoca no-deficiencia es el tiempo de cambio de palet. Este tiempo depende evidentemente de la carga del palet, pero por lo general es de segundos.

1.5 Estabilidad térmica

Hasta ahora se han comentado características tecnológicas que afectan directamente a alguno de los elementos de la máquina-herramienta: la Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo de la máquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en común intentar reducir el tiempo de proceso o minimizar los tiempos de no-corte, y por tanto se necesita además potencia en los sistemas de accionamientos.

Desgraciadamente esta potencia extra también provoca cantidad de calor extra que puede provocar reducciones en la vida de los elementos mecánicos, así como falta de precisión. Por ello es de vital importancia extraer el calor generado en las máquinas de alta velocidad.

Evidentemente cada día se construyen sistemas más eficientes donde las pérdidas de calor se minimizan, pero estos avances afectan más a los sistemas electrónicos que a los mecánicos, donde la fricción y las fuerzas de inercia siempre suponen generación calorífica.

Se verá en los siguientes apartados que la generación de calor afecta a todos los sistemas mecánicos.

1.5.1 Cabezal

En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades de corte es necesario aumentar la velocidad de angular de los cabezales. Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -que tendrá también que girar a más revoluciones - o al sistema de transmisión, que tendrá que multiplicar aún más las revoluciones del motor - afrontando graves problemas de equilibrado y vibraciones.

También afecta directamente a la composición, naturaleza y tamaño de los rodamientos del propio cabezal que deberán ser dimensionados de acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que deben desarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecánica de los rodamientos es proporcional a su diámetro, pero un diámetro mayor también provoca una mayor fuerza centrífuga y generación de calor, reduciendo así la vida de los rodamientos.

Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el proceso de mecanizado y una vida útil razonable supone un compromiso de diseño, que comprometerá, en muchos casos, la necesidad de refrigeración de los rodamientos con sistemas complejos.

Aparte del problema mecánico, la generación de calor hacia el cabezal afecta directamente a la precisión del eje Z de la máquina. Inexorablemente, el calentamiento del cabezal compromete el alargamiento del mismo. El intento de control de este alargamiento es vital en procesos de mecanizado donde buscamos precisiones en el eje Z de menos de 0,010 mm. (como en moldes de inyección de plástico de precisión) y supone uno de los campos de estudio más importante para los ingenieros de diseño de la máquina-herramienta.

1.5.2 Sistema de accionamientos

El sistema de accionamientos resulta también afectado para la generación de calor. Para conseguir velocidades más altas se aumentará el paso del husillo de bolas, requiriendo a la vez una potencia superior del motor. Este entonces genera más calor de lo normal (aunque los servomotores sin escobillas tienen eficiencias muy elevadas) que se pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la máquina.

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Pero el elemento más crítico es el husillo de bolas. Este se calienta por el calor generado en la hembra aunque se trate básicamente de un proceso de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas y hembra. Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas afectando su vida y la precisión dimensional de la máquina.

1.5.3 Estructura

La estructura es un elemento estático, pero también puede recibir calor procedente de diversas fuentes. Una de ellas es el calor generado en los accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conducción a la estructura, por lo que tendremos que aislarla. Otras fuentes importantes de calor pueden ser las externas, como la temperatura ambiente o los rayos solares.

Estos factores no se tienen a menudo en cuenta, pero pueden afectar tanto a la precisión como a las fuentes internas de la máquina.

Por último, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el mismo proceso de corte. El mecanizado de alta velocidad basa la protección de la herramienta en que parte del calor generado en el corte se lo lleve la viruta. Además muchas veces el corte se ha de hacer con emulsiones refrigerantes que se llevan también gran cantidad de calor. Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto directo con la parte de la estructura de la máquina que configura el área de trabajo, transmitiendo también el calor recibido para conducción.

1.6 Rigidez – amortiguación

La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformación sobre una carga. Podemos hablar de rigidez estática si el cuerpo recibe la carga constante y de rigidez dinámica si la naturaleza de la carga se frecuencia. En una máquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por tanto los elementos constructivos de la misma han de tener en cuenta las dos.

Las cargas constantes son fundamentalmente la misma estructura y el peso de la pieza a mecanizar y sistemas de utillajes. También en menor medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporciones de diseño de las partes estáticas y móviles de la estructura han de asegurar una alta rigidez pero, además, tienen que poder dar una buena respuesta dinámica.

Las cargas dinámicas son las debidas principalmente al proceso de corte. Pensamos que a las máquinas de alta velocidad las revoluciones del cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm lo que supone, teniendo en cuenta que una herramienta integral tiene habitualmente 2 labios, una frecuencia de:

f = (40.000/60)·2 = 1333 Hz.

Es importante a la hora de diseñar las características estructurales de una máquina alejar lo más posible la frecuencia natural de las frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que, comportan a menudo, roturas de herramienta y acabados superficiales muy pobres.

La amortiguación es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones. Esta absorción de vibraciones se hace mediante fuerzas de fregamiento. Estas fuerzas pueden ser fuerzas de fregamiento seco (o Coulomb) entre dos sólidos del sistema, fuerzas de fregamiento de un cuerpo en un fluido o fuerzas producidas para el fregamiento interno entre las moléculas de un cuerpo que se deforma (elasticidad).

En una máquina-herramienta es la absorción de energía vibratoria la que produce mayoritariamente las deformaciones de la estructura y de los elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales se deforman, los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la precarga. La amortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto hace que los parámetros de diseño de los elementos constructivos siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.

Vale la pena profundizar un poco más en las consecuencias físicas de esta dicotomía. Si simplificamos a 1 variable y en 1 elemento toda la estructura de la máquina, podemos considerar que la rigidez de toda la cadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de rigidez “k” donde:

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Ecuación 2

Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las vibraciones podemos modelarlos como un fregamiento viscoso con constante de amortiguación “c” donde:

Ecuación 3

La propia masa de la estructura responde a la ecuación:

Ecuación 4

Y finalmente la acción de la herramienta se puede modelar como una fuerza periódica de la forma:

Ecuación 5

De esta manera la ecuación dinámica del sistema es:

Ecuación 6

La solución general de esta ecuación diferencial se obtiene sumando su solución particular con la solución general de la ecuación homogénea.

Esta última modela la respuesta a un único impulso de vibración. Tiene tres soluciones dependiendo si el valor de la constante de amortiguación es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente crítico de amortiguación “cc”.

Ecuación 7

donde p es la frecuencia angular de la vibración no amortiguada (o sea la frecuencia en el caso que c fuese 0) también llamada frecuencia natural del sistema. Esta frecuencia depende nada más de m y k y es por tanto una característica propia del sistema.

Así pues:

1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobre amortiguación, y la solución general es:

Ecuación 8

donde λ1 y λ2 son soluciones reales de la ecuación homogénea. La solución corresponde a un movimiento no vibratorio, donde el sistema vuelve a su estado después de un tiempo.

2. Si c=cc se produce la amortiguación crítica y la solución general es:

Ecuación 9

Esta solución tampoco es vibratoria y hace volver al sistema a su estado inicial en el mínimo tiempo posible.

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3. Si c<cc la solución es una ecuación del tipo:

Ecuación 10

donde:

Ecuación 11

que es la frecuencia angular de la vibración amortiguada. Nótese que siempre, cuando c>0, q es más grande que la frecuencia de la vibración no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguación. Esta solución representa un movimiento vibratorio con amplitud decreciente que se amortigua más deprisa cuanto más parecido sea c a cc y que el extremo no se amortiguara si c fuese 0 (movimiento vibratorio).

Fig. 1.- Amortiguación

La solución particular, por su parte, es de la forma:

Ecuación 12

donde:

Ecuación 13

y:

30

Ecuación 14

La relación xm / Fm/k se llama factor de amplificación, y se expresa en relación a 2 factores:

• ω/p, que representa la relación entre la frecuencia de la fuerza aplicada (en este caso la frecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural del sistema

• c/cc, que ya ha sido denominado llamado factor de amortiguación

Dibujando un gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc (figura 2) se observa que si ω=p la máquina entra en resonancia. Esta situación es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones que producen roturas de herramientas y acabados superficiales muy degenerados.

Fig. 2.- Gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc

Para evitar este efecto podemos:

• Aumentar el factor de amortiguación c acercándolo a cc para reducir el efecto de amplificación.

• Diseñar la máquina para que la frecuencia natural p se aleje de las frecuencias de trabajo. Notamos que la frecuencia natural p aumenta con la rigidez y disminuye con el peso. Estos dos factores serán claves para el diseño de las máquinas y de las frecuencias naturales.

Este análisis es mucho más complejo en la realidad. Existen múltiples frecuencias naturales para cada sistema también en diferentes direcciones. En general, las frecuencias naturales se comprueban experimentalmente después de fabricar la máquina.

Lo más importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y la amortiguación de la máquina con el fin de conseguir máquinas precisas y con buena respuesta que, además amortigüen, las vibraciones de corte.

2 ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE L A MÁQUINA-HERRAMIENTA

Sabiendo lo que se necesita para tener una máquina de alta velocidad. En este capítulo se intenta explicar que formas se puede conseguir.

Este apartado limitará al estudio de los centros de mecanizado, tanto verticales como horizontales de 3 ejes.

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2.1 Materiales de construcción

Básicamente las estructuras y elementos de las máquinas se han hecho siempre de fundición gris, con todas sus variantes de composición y por tanto de calidad. Hoy en día existen los materiales polímeros que mejoran algunas características de la fundición.

Para producciones reducidas, se utilizan estructuras soldadas que eventualmente se pueden llenar de hormigón y algunos elementos de la máquina pueden estar hechos con materiales como el aluminio para disminuir el peso y mejorar así la respuesta dinámica. Intentamos en este apartado analizar las ventajas y los inconvenientes de todas estas soluciones.

2.1.1 Fundición

La fundición gris es el material más utilizado en la construcción de estructuras y elementos de las máquinas herramienta. De las diferentes composiciones la más utilizada es la meehanita.

La fundición ofrece la posibilidad de conformar el material mediante unas estructuras de madera que imitan la forma final del elemento de fundición en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta formando lo que será el molde de la fundición. Se extraen entonces las maderas interiores y se llena de la fundición. Una vez la fundición se solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y limpiando la superficie.

La fundición entonces pasa a una fase de estabilización necesaria para que una vez el elemento de la estructura esté montado su deformación sea mínima. Esta fase de estabilización es muy importante en cuanto más precisión necesita la máquina.

La empresa americana Moore, líder en fabricación de rectificadores en coordenadas de alta precisión, hace descansar las estructuras de fundición más de un año al aire libre para estabilizarlas. Además mantiene una política de recuperación de las estructuras con sus clientes que le hace fabricar nuevas máquinas con tecnología de control numérico y electrónica de última generación aprovechando la estructura de una máquina con 10, 15 o 20 años. Después de todo este tiempo la estabilidad de la estructura está más asegurada.

Los elementos de fundición son posteriormente mecanizado s para conformar las zonas de unión entre los diferentes elementos estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos. La maquinabilidad de la fundición hace fáciles estas operaciones.

2.1.2 Estructuras soldadas

La solución de la fundición es demasiado cara para la construcción de máquinas especiales de más baja producción para la amortización de los moldes de fundición. En estos casos se elige una solución constructiva a base de elementos de acero soldados. El diseño y fabricación de las estructuras se transforma entonces en simple y flexible.

Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables en máquinas de precisión. La estabilidad y predicción de los elementos soldados bajo cargas mecánicas y térmicas son difíciles debido a la presencia de las soldaduras. Estas son de difícil ejecución y los elementos son, en consecuencia, heterogéneos. Todo esto hace que las flexiones y torsiones mecánicas o térmicas sean muy superiores a las de la fundición.

Además, la amortiguación a las vibraciones de estas estructuras es muy pequeña por estar constituida, fundamentalmente, por elementos de acero. Esto limita la aplicación de estas estructuras en procesos de desbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan ser amortiguadas para asegurar la estabilidad del proceso.

Una solución parcial al problema de la baja amortiguación es llenar las estructuras de acero soldado con hormigón. Esto le da capacidad de amortiguación. Es importante mantener siempre el contacto entre el acero y el hormigón para no perder capacidad de amortiguación. Se utilizan en estos casos aceros con relieve (al estilo de las barras de construcción para el hormigón armado) y se intenta vibrar el hormigón para que llene perfectamente todo los volúmenes, aumentando así la zona de contacto acero-hormigón.

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En esta solución la estabilidad térmica es fundamental, por el hecho de que el acero y el hormigón tienen coeficientes de expansión térmica diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorción de vibraciones puede ser también distinta.

2.1.3 Materiales políméricos

Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.

Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de la máquina-herramienta. La ventaja fundamental respecto a la fundición es su capacidad de absorción de vibraciones, que es unas 10 veces superior. A continuación se presenta un gráfico que compara esta característica en la fundición y en un material bastante novedoso denominado “Metalquartz”:

Figs. 3 y 4.- Absorción de las vibraciones de la fundición (izquierda) y del “Metalquartz” (derecha)

Esta característica hace que este material sea ideal para bases o bancadas de máquina. Sus características elásticas y resistentes no lo hacen, pero no es aconsejable para la construcción de elementos sometidos a altas cargas de compresión, tracción y flexión. A continuación se presenta una tabla con las propiedades mecánicas de este material comparado con las de la fundición gris.

Propiedades Fundición gris Polímero

Módulo de elasticidad E (kg/mm2) 12.600 4.200

Resistencia a la tracción (kg/mm2) 35 2,5

Resistencia a la compresión (kg/mm2) 105 13

Coeficiente de dilatación térmica (µm/ºCm) 12 12,1

Conductividad térmica (W/ºCm) 2.286 160

Densidad (g/cm3) 7,2 2,3

Amortiguación Normal Muy alto

Maquinabilidad Normal Baja

Tabla 4.- Propiedades mecánicas del Metalquartz comparadas con las de la fundición gris

Véase que, en elementos con esfuerzos, la fundición sigue siendo el material con más garantías.

Hay que destacar el coeficiente térmico de expansión, ya que en los materiales políméricos es prácticamente idéntico al de la fundición. Esta característica evita problemas mecánicos y de precisión en las uniones fundición-polímero, lo que hace a los materiales políméricos ideales para ser combinados con la fundición y dar así más capacidad de absorción de vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra un ejemplo de una base de una máquina hecha con polímero.

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Fig. 5.- Base de una máquina tipo puente construida con material polimérico

2.2 Estructura

La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y amortiguación a las vibraciones, a la vez que condiciona la precisión y la estabilidad térmica. Además ha de facilitar la carga y descarga de la pieza, en aras de la ergonomía para el operador.

2.2.1 Parámetros de diseño

Las máquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado, requieren de una gran rigidez y una elevada respuesta dinámica.

La rigidez es función de los materiales utilizados en la construcción, de la estructura interna o de los enervados de los elementos constructivos y de las dimensiones de los carros.

De los materiales de construcción se ha hablado anteriormente. Suponiendo el material de fundición gris, la estructura interna de los elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios que lo conforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el peso, siempre importante para la respuesta dinámica, y el por precio/kg. de la fundición. Estas estructuras enervadas se diseñan con la ayuda de métodos de elementos finitos.

Fig. 6.- Resultado del diseño FEM de la base de una máquina

En las dimensiones de diseño es importante evitar al máximo los voladizos, con las dimensiones máximas de guía, y las mínimas distancias entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de trabajo. Los problemas de rigidez más importantes en una máquina-herramienta son debidos a los esfuerzos de flexión o torsión, más que a los de compresión o tracción.

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En un voladizo, una de las unidireccionales rígidas es proporcional a:

Ecuación 15

donde L es la dimensión del voladizo o, en el caso de la estructura, lleva cabezal de un centro de mecanizado tipo C, la distancia entre las guías del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre las guías. Análogamente para las demás dimensiones:

Ecuación 16

Ecuación 17

donde H es la dimensión de la zona guiada. Estas consideraciones se pueden comprobar en la figura 7.

Fig. 7.- Carro porta-cabezal de un centro de mecanizado tipo C

Nótese por tanto que, para hacer la estructura más rígida, es preciso minimizar L y maximizar H y A. Estas consideraciones se pueden hacer sobre todos los demás elementos estructurales de la máquina, con los mismos resultados pero diferentes conceptos.

2.2.2 Guías

Los componentes de guía son fundamentales en la dicotomía rigidez-amortiguación de una máquina.

Las guías son el único elemento de discontinuidad en el sistema estructural de la máquina y, por tanto, suponen uno de los puntos débiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad puede dotar al sistema de una capacidad de absorción de las vibraciones importante. El sistema de guías determina, en parte, las aplicaciones de la máquina-herramienta.

Básicamente, las guías pueden ser de tres tipos: guías de fricción hidrodinámicas, guías de rodadura y guías de fricción hidrostáticas.

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2.2.2.1 Guías de fricción hidrodinámicas

Las guías de fricción hidrodinámicas eran las únicas guías comúnmente utilizadas hasta hace 10 años. Se trata de dos superficies planas o inclinadas, rectificadas y tratadas térmicamente para aumentar la dureza superficial, que incorporan una película intermedia de aceite para mejorar el deslizamiento. Las superficies pueden ser rasqueteadas dependiendo de la precisión geométrica requerida, y una de las superficies lleva un recubrimiento de “Turcite” para disminuir el deslizamiento y mecanizar los conductos de aceite (figura 8).

Fig. 8.- Proceso de rasqueteo en una guía con Turcite

Estas guías se ajustan mediante planos inclinados que acercan o separan las superficies. Con el desgaste estos planos inclinados pueden reajustarse, pero las guías hidrodinámicas tienen una vida limitada a 10-12 años, después de los cuales se tendrían que volver a rasquetear las superficies.

Estas guías presentan una buena absorción de las vibraciones para la película de aceite, y el coeficiente de amortiguación es proporcional a la superficie de contacto. Esta característica las hace ideales para aplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en aplicaciones donde el acabado superficial es crítico. Un buen ejemplo seria la máquina de la figura 9, que se utiliza básicamente para hacer grandes esfuerzos de corte.

Fig. 9.- Estructura de un centro de mecanizado vertical tipo C utilizado para hacer grandes desbastes

Se presentan algunos problemas con estas guías. El cizallamiento del aceite produce resistencia al movimiento, por lo que es necesario un motor más grande que con otros sistemas para conseguir las mismas aceleraciones y movimientos en rápido.

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Además, se produce un efecto de “stick-slip” debido a la diferencia de valor del coeficiente estático y dinámico de fricción. Cuando la máquina se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la fricción del sistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se producen constantes cambios de sentido en los ejes, ya que se presenta una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza a moverse y después de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip” o pegar-deslizar. Este efecto no favorece, en principio, a las máquinas que deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.

2.2.2.2 Guías de rodadura

Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El elemento fijo monta unas guías rectificadas con unas superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un circuito contenido en un bloque precargado y que se fija al elemento móvil de la máquina. Para cada guía se monta un mínimo de dos bloques. Cuanto más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá que montar. Estas guías no necesitan ajuste, y su vida es presumiblemente mayor que la de las guías hidrodinámicas, si bien no se dispone todavía de valores estadísticos suficientes para asegurarlo.

Figs. 10 y 11.- Sección de una guía de rodadura con cilindros de la marca IKO (izquierda) y una guía de rodadura de bolas montada al carro de una máquina horizontal de la marca THK (derecha)

Las guías de rodadura presentan una mayor rigidez que las guías hidrodinámicas del mismo tamaño, pero la capacidad de absorción de las vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de fricción es mucho más bajo y, se pueden conseguir respuestas dinámicas más cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.

Estas guías son hoy en día la solución casi exclusiva a las máquinas de producción que requieren aceleraciones y velocidades muy elevadas para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo se muestra el centro de mecanizado vertical de la fotografía siguiente. Este centro tiene movimientos en rápido de 40 m/min, y está destinado básicamente a la producción de pequeñas piezas de aluminio prefundido.

Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la producción de piezas. Todas las guías son de rodadura

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2.3 Ejes

La cadena cinemática de los ejes está formada por el soporte del motor, la unión motor-husillo, los rodamientos de soporte del husillo a bolas, el mismo husillo de bolas y la unión con el carro del eje. Este sistema determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión de posicionamiento, junto al servomotor de mando y el sistema de captación de posición.

2.3.1

Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque son las primeras en transmitir el par del motor. Las uniones pueden ser básicamente directas o indirectas.

2.3.1.1 Uniones indirectas

Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el motor y el husillo a bolas. Esta solución se adopta básicamente para problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar el par o la velocidad de salida del motor con una proporción reductora o multiplicadora respectivamente.

Esta solución no es recomendable en una máquina de alta velocidad, porque la transmisión a correa rebaja la rigidez del sistema debido a la elasticidad de la correa y, especialmente, a frecuencias de trabajo altas. Además también afecta a la precisión del eje, si bien el error cometido depende mucho del montaje del sistema de medida, como ya sabemos de un capítulo anterior.

La ventaja más importante de estos montajes es el aislamiento térmico del motor, cosa que evita evacuar con tanta urgencia el calor que genera.

2.3.1.2 Uniones directas

Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos del husillo y del eje del motor. Estas uniones pueden tener diferentes grados de rigidez.

Las uniones más rígidas son simplemente una pieza sólida de acero. Éstas proporcionan mucha precisión, pero obligan a un montaje muy preciso porque no absorben ninguna desalineación de los ejes motor y husillo. Esta desalineación crea un esfuerzo cíclico, que puede producir la rotura de alguno de los ejes por fatiga.

Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan cierta flexibilidad radial y axial, pero en cambio tienen mucha rigidez torsional. Éstas son, sin duda, las más utilizadas en las máquinas de alta velocidad.

Fig. 13.- Zona de unión del eje

2.3.2 Husillo de bolas

Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento rotativo del motor en movimiento lineal de la hembra del husillo. En la rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por la hembra. Ésta suele ser doble con moldes intermedios que compensan la holgura con las pistas del husillo.

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El paso del husillo es un elemento básico de diseño que determinará el par necesaria para mover determinada carga y la velocidad máxima lineal, dada una velocidad máxima angular del motor. La aplicación de la máquina influirá entonces en la determinación de este parámetro.

La precisión del rectificado del husillo puede influir en la precisión del eje, especialmente si se utilizan sistemas de medida rotativos. Esta precisión se especifica con el grado C del husillo.

La rigidez del husillo de bolas es determinada por su geometría (diámetro, longitud) pero también por el sistema de fijación del husillo en sus extremos. La rigidez es proporcional a:

Ecuación 18

Donde E es el módulo de elasticidad del acero, I la inercia del husillo (=πØ2/64), L su longitud y α un factor que depende del sistema de fijación del husillo.

Básicamente uno de los extremos del husillo puede estar:

• Libre: o sin ningún soporte. • Soportado: con un rodamiento radial que lo fija radialmente pero lo deja libre axialmente. • Fijo: con un juego de 2 o más rodamientos angulares en oposición que lo fijan radial y

axialmente.

En general, las soluciones a las máquinas de alta velocidad son extremos fijo-soportado o fijo-fijo (extremo del motor en primer plano). El factor α para estas soluciones es 2 y 4. La solución fijo - fijo es por tanto la mejor cuando se requiere una gran rigidez.

La fórmula anterior también indica que la esbeltez (L/D) del husillo es fundamental a la hora de calcular su rigidez. Pensemos que el diámetro no se puede aumentar indiscriminadamente, porque en los montajes horizontales un peso excesivo hace tambalear el husillo lo que puede provocar vibraciones al sistema por la rotación de la masa desequilibrada.

2.4 Cabezal

El cabezal es el corazón de la máquina-herramienta. El diseño de la máquina depende de la capacidad del cabezal, o sea de la velocidad angular máxima, la potencia, y el par que necesitamos desarrollar para una aplicación determinada. Como ya se ha visto en el apartado 1, el diseño del cabezal es un continuo compromiso entre las características funcionales y la vida y coste del mismo.

La rigidez de un cabezal depende fundamentalmente del tamaño, precarga y tipo del rodamiento utilizado. Por tanto hay que estudiar con detalle las opciones que ofrece el mercado con el fin de obtener el mejor rendimiento en la aplicación sometida a estudio. Para aplicaciones de taladrado y roscado habrá que optimizar la rigidez axial, mientras que para las operaciones de fresado es más importante la rigidez radial. La rigidez, por tanto, es determinada por la aplicación y potencia que se desee desarrollar.

La vida del cabezal se calcula mediante el número DN. Este número tiene un valor funcional que se determina mediante:

Ecuación 19

O sea que depende de la rigidez y de la velocidad que se desee obtener. Para que la vida de los rodamientos sea adecuada, este número ha de ser menor al valor DNconstructivo, que se determina según el tipo de jaula, tipos de bola, precisión y lubricación del cabezal. Por tanto:

Ecuación 20

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Por tanto, dada una aplicación y las características del rodamiento, las revoluciones máximas del cabezal dependen fundamentalmente del tipo de lubricación de sus rodamientos.

Lo más importante de la relación DNfuncional es que ejemplariza la dicotomía entre la velocidad y la potencia del cabezal. Veremos cómo los requerimientos de las aplicaciones son casi siempre imposibles de diseñar con un coste razonable y, por tanto, la capacidad de la máquina está también casi siempre limitada por las características del cabezal.

Antes de hablar de los diferentes tipos de cabezal es preciso desarrollar algunas consideraciones que determinarán el uso de los mismos.

2.4.1 Rodamientos

Las características mecánicas de un cabezal están determinadas por las de los rodamientos.

No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la precarga con los que los rodamientos sean montados. En la parte frontal del cabezal se montan en oposición uno o más pares de rodamientos de bolas de contacto angular (normalmente 30º) precargados. Estos tendrán que situarse lo más cerca posible de la zona de corte, dado que son los que soportan toda la carga.

En la parte de atrás, en cambio, se montan rodamientos de bolas o cilíndricos radiales, que permiten un cierto movimiento axial cuando se alarga el rotor para el incremento de temperatura. En la figura 14 se muestra un ejemplo de cabezal para máquina-herramienta. La transmisión de potencia se hace mediante rueda dentada (en color verde en el gráfico).

Los materiales utilizados en la construcción del cabezal también son importantes. La solución clásica se compone del cabezal con jaula y bolas de acero, mientras que más modernamente se montan rodamientos híbridos que se componen de jaula de acero y bolas de nitruro de silicio. Estas nuevas bolas mejoran las características según las siguientes características:

• Mayor módulo de elasticidad E: La deformación de las bolas bajo carga es menor que en las bolas de acero por lo que mejoraremos la rigidez del cabezal. • Más dureza: Las bolas de nitruro de silicio se desgastan menos, disminuyendo a la vez las partículas de contaminación que se desprenden de su superficie y aumentando así la vida del rodamiento. • Menor coeficiente de dilatación térmica: que estabiliza el tamaño y por tanto la precarga del rodamiento cuando aumenta la temperatura del cabezal. Un exceso de precarga puede producir el fallo prematuro de los rodamientos. • Menor masa: La densidad específica del nitruro de silicio es menor que la del acero. Así disminuyen las fuerzas centrífugas que generan las bolas contra la jaula exterior disminuyendo también la generación de calor. Otra solución es la adopción de bolas de acero pero de tamaño más pequeño. Estas disminuyen la rigidez total del rodamiento.

Fig. 14.- Montaje típico de un cabezal de transmisión para engranajes

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Todas estas consideraciones permiten afirmar que los rodamientos híbridos tienen una mejor relación potencia / revoluciones. Pero estos rodamientos son más frágiles y tienen, por tanto, más posibilidades de destrucción instantánea que los rodamientos de bolas de acero, especialmente en aplicaciones donde los esfuerzos de corte más se parecen a percusiones.

2.4.2 Método de lubricación

El método de lubricación es, como se comprueba en la relación DN, decisivo a la hora de diseñar un cabezal. Para un cabezal de revoluciones determinadas, el tamaño de los rodamientos, y por tanto su rigidez, viene determinada por la lubricación de los mismos.

Para todas las aplicaciones de mecanizado convencional, y para las aplicaciones de alta velocidad donde las exigencias de velocidad angular del cabezal sean pequeñas, la lubricación con grasa es suficiente. Esta lubricación es permanente, y por tanto sólo se realiza en el montaje de los rodamientos. Proporciona una gran fiabilidad, sencillez de construcción y un bajo coste de producción. Este es por tanto el método que se aplica siempre que las condiciones de velocidad lo permitan.

La limitación del sistema es que, si se genera mucho calor, la grasa puede llegar a licuarse y desprenderse de las superficies lubricadas. Bajo estas condiciones la vida del rodamiento se reduce inmediatamente, produciéndose un fallo prematuro.

Si la aplicación de grasa no es suficiente entonces se utiliza lubricación aire-aceite. Ésta consiste en la aplicación de aceite lubricante vaporizado en aire, que es el vehículo de transporte del aceite. Esta vaporización de aceite se realiza directamente a las jaulas de los rodamientos. El sistema permite llegar a valores de DNconstructivo del orden del 20 al 30% más grandes que con la grasa permanente, y por tanto aumentar la velocidad angular máxima del cabezal en la misma proporción.

Este sistema es mucho más caro y menos fiable que el anterior. Hay que diseñar y construir conductos, mezcladores aire-aceite y colectores de para evitar que éste se riegue por el frente del cabezal. Además, puesto que se hace trabajar los rodamientos a un 20-30% más de su limitación de velocidad, si algunos de estos sistemas deja de funcionar el fallo es inmediato. Por tanto, hay que utilizar sistemas sensoriales de control que todavía hacen más cara la aplicación y reducen inexorablemente la fiabilidad del cabezal.

Se han desarrollado otros sistemas con tal de mejorar la relación potencia / revoluciones en aplicaciones de alta velocidad. En el apartado 3 se hablará de uno de ellos.

2.4.3 Generación de calor

El calor es la principal causa de fallo de los cabezales de alta velocidad, y es uno de los puntos de estudio más importantes en el desarrollo futuro de los centros de mecanizado de alta velocidad. En el apartado 2.6 se realiza un estudio más profundo de la generación, los problemas y la evacuación del calor en el cabezal.

2.4.4 Fuerza de sujeción

La rigidez del cabezal no se podría valorar por completo si no se tuviesen en cuenta los tipos de interfase con la herramienta de corte y su sujeción. La rigidez del conjunto herramienta-porta herramienta-cabezal determinará la capacidad de corte del cabezal.

En el mecanizado tradicional se han utilizado casi siempre fijaciones BT (o similares) para fijar el portaherramientas al cabezal. En el mecanizado de alta velocidad de más de 12.000-15.000 rpm, o en aquéllas donde los esfuerzos de corte son muy grandes, es necesario instalar un sistema HSK.

A modo de ejemplo, pensemos que la fuerza de sujeción que se puede aplicar a una interfase BT-40 es, como máximo, de 10kN, mientras que a una interfase HSK-A63 equivalente es de 18kN. La rigidez del sistema será por tanto casi el doble.

En la figura 15 se muestra un gráfico comparativo de las interfases BT50 (o ISO50) y HSK-A100, y en la tabla 5 se comparan ambos sistemas.

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Fig. 15.- Esquema comparativo entre una interfase ISO 50 y un HSK-A100

ISO 50 HSK-A100

Rigidez Normal 5 veces mayor debido al contacto frontal

Repetibilidad medida a 180 mm del cabezal 12 µm 3 µm

Longitud de la estructura 136 mm 50 mm

Momento de torsión dinámico 2500 Nm 4750 Nm

Tabla 5.- Comparación de las interfases BT50 (o ISO 50) y HSK-A100

Además, es importante señalar que la fijación de estas interfases se hace mediante una pinza que, en el caso del BT, la toma por fuera y, por tanto, con la fuerza centrífuga tiende a aflojarse. Mientras que el HSK la toma por dentro y, en estas mismas condiciones, la fija todavía más fuerte.

En las figuras 16 y 17 se puede ver el aspecto físico de una sujeción HSK y un esquema de montaje con la pinza con fijación interior.

Fig. 16.- Aspecto físico de un cabezal con interfase HSK

Fig. 17.- Esquema de un cabezal con interfase HSK-A100 donde se muestra la pinza de fijación

2.4.5 Tipos de cabezales

Con estas consideraciones se está ya en condiciones de introducirse de lleno en el estudio de los distintos tipos de cabezales y valorar su aplicación en diferentes campos de la alta velocidad.2.4.5.1 Cabezal con transmisión de engranajes

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Este tipo de cabezal es la evolución de los antiguos cabezales de motor continuo, donde la velocidad se controlaba variando la relación de las poleas de fricción cónicas. Hoy en día, los motores empleados son motores de inducción con control vectorial - en muchos casos con feedback de posición - y las transmisiones están realizadas con ruedas dentadas – y, en general, con dos gamas (figura 18).

Fig. 18.- Montaje de cabezal con transmisión de engranajes. El eje azul se desplaza para hacer el cambio de gamas

La ventaja de estas transmisiones es su capacidad para multiplicar el par del motor, a menudo por cuatro. Además, el motor está aislado del cabezal y, por tanto, es más fácil controlar el calor generado por las dos unidades separadas.

Los inconvenientes más destacables son la poca eficiencia (70%), el ruido y las vibraciones generadas en el corte. Además, la velocidad máxima en punta de herramienta no supera nunca las 8000 rpm.

Este tipo de cabezales son ideales para aplicaciones de alta velocidad donde hace falta mucha potencia a bajas revoluciones: o sea un gran par. En algunas condiciones de corte de titanio, por ejemplo, con herramientas de diámetros grandes pueden ser necesarios de 1000 a 2000 Nm.

2.4.5.2 Cabezal con transmisión para correas

Esta construcción del cabezal es probablemente la más utilizada hoy en día en centros de mecanizado convencionales. Es fácil de montar, y por tanto muy económica. Además, dependiendo de las correas y la relación de poleas que se instalen, podemos obtener un cabezal con un alto par a bajas revoluciones o un cabezal con velocidades de hasta a 15.000 rpm con un nivel de vibraciones y ruido aceptable para muchas aplicaciones.

El inconveniente de estos sistemas es que, precisamente al ser versátil, ni la potencia a bajas revoluciones es suficiente en las aplicaciones con más requerimientos de par, ni el nivel de vibraciones a altas revoluciones es aceptable en aplicaciones donde los acabados superficiales sean críticos.

Además, dependiendo de las correas, se genera bastante calor, que está sin embargo siempre aislado en el motor y en el cabezal. Pero el punto más débil del cabezal es el rodamiento de suporte posterior: las correas ejercen una fuerza radial que limita mucho casos la vida de este rodamiento (figura 19).

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Fig. 19.- Cabezal con transmisión para correas. La fuerza tirante de los correas puede hacer disminuir la vida de los rodamientos posteriores

Este cabezal, con mejoras en la transmisión por correas (para reducir el ruido y las vibraciones) y un montaje con doble rodamiento entre los cuales se sitúa la polea de transmisión (para evitar el fallo), se utiliza todavía en muchas máquinas resultado de la evolución de otras convencionales para hacer MAV.

2.4.5.3 Cabezal con acoplamiento directo

Este tipo de cabezal elimina las vibraciones y los ruidos de las transmisiones, por lo que se puede llegar a velocidades de hasta a 20.000 rpm con muy buenos acabados superficiales. Como ejemplo podemos mencionar los centros de mecanizado Yasda modelo YBM de fabricación japonesa.

En este montaje el motor debe estar bien equilibrado, y la alineación del motor y el cabezal ha de ser excelente para evitar desequilibrios que induzcan fuerzas radiales a los rodamientos posteriores del cabezal. El fabricante Yasda incorpora además un acoplamiento elástico de fabricación propia que absorbe las vibraciones del motor.

También hay que tener en cuenta el aislamiento térmico del motor y la absorción por parte del acoplamiento del posible alargamiento del eje de éste hacia abajo y las del cabezal hacia arriba. Si no, podrían aparecer fuerzas En la figura 20 se muestra un cabezal con acoplamiento directo.

Fig. 20.- Cabezal con acoplamiento directo. Los circuitos de refrigeración aíslan el calor del motor del cabezal.

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Con todas estas consideraciones, el precio de estos cabezales es relativamente bueno, sobretodo respecto al coste de los cabezales integrados.

2.4.5.4 Cabezal integrado

Éstos son, sin duda alguna, los cabezales más utilizados en las máquinas-herramienta de alta velocidad del mercado actual.

Este concepto integra el motor dentro de la estructura del cabezal, con el fin de evitar cualquier tipo de transmisión y, por tanto, reducir al máximo las vibraciones generadas. En los motores para esta aplicación se venden el estator y el rotor por separado, con el rotor vacío para integrar los mecanismos del cabezal. El motor queda en medio de los rodamientos frontales y posteriores.

Las limitaciones de velocidad de estos cabezales son las de los rodamientos. Se encuentran ejemplos de todas las velocidades y potencias. Sus características de vibración son excelentes (menos de 2 µ pico a pico en muchos casos) y el ruido es mínimo.

Los dos grandes inconvenientes de estos tipos de motor son su precio y la evacuación del calor generado por el motor.

El precio de compra es elevado por la complejidad del montaje, aunque cuando se extienda todavía más, los precios de los motores vacíos deberían bajar. También es costosa la reparación del cabezal, porque cuando aparece un problema en el cabezal (rodamientos) o en el motor la consecuencia es la misma: hay que sustituir todo el conjunto. Esta característica obliga a los fabricantes a tener un servicio de reposición de estos cabezales eficaz, extenso y por tanto caro.

Con respecto al calor, en este cabezal, además de extraer el calor de la parte exterior de los cabezales, hay que extraer el calor del estator del motor, aumentando la potencia refrigeradora y haciendo los circuitos más complejos. Además, en los cabezales de inducción los rotores generan mucho calor en la chapa apilada, que se transmite directamente al eje rotativo del cabezal. Por tanto, el gradiente es todavía más difícil de controlar.

En el esquema de la figura 21 se muestra la construcción de uno de estos cabezales.

Fig. 21.- Cabezal integral

Otra de las problemáticas tanto de este tipo de cabezales como de los de acoplamiento directo era la imposibilidad de obtener buenos pares a bajas y a altas revoluciones. Este problema se ha resuelto incorporando motores de doble bobinado, que utilizan uno de 6 pulsos a bajo régimen y otro de 2 pulsos para régimen elevado. Es como si se cambiara el motor dependiendo de las revoluciones de trabajo. Este cambio se controla electrónicamente, y se realiza por tanto de forma dinámica.

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2.5 Elementos auxiliares en el mecanizado

Estos elementos no determinan, generalmente, el diseño estructural de la máquina pero, para obtener un resultado óptimo, son tan importantes como el resto de características. El diseño de estos sistemas ha de asegurar el correcto funcionamiento de una máquina en ciclos de trabajo exigentes, minimizando a la vez los tiempos de no-corte (sobretodo en las aplicaciones de producción de piezas).

2.5.1 Cambio automático de herramienta

Con el cambio automático de herramientas se dota a la máquina de independencia respecto a la presencia del operario para ejecutar un trabajo con diferentes herramientas.

En las aplicaciones donde los ciclos de trabajo con una herramienta son largos, los tiempos de cambio de herramienta son despreciables. En cambio, en aplicaciones de producción donde las operaciones de cada una de las herramientas no supera en muchos casos los 10 s, un cambio de herramienta de 8 s supondría una relación insoportable.

En el primer caso las soluciones adoptadas son múltiples, pero siempre sencillas. En la figura 22 se presenta la fotografía de un cambiador tipo paraguas. Éste mueve todo el almacén hacia el cabezal y aprovecha el movimiento del mismo para cambiar la herramienta.

Fig. 22.- Cambiador de herramienta tipo paraguas

Se trata de una solución muy popular en los centros de mecanizado de bajo coste. Sus dos desventajas son la invasión de la zona de trabajo por las herramientas y la posibilidad de ensuciar los portaherramientas con el peligro de excentricidad cuando gira si la viruta se ha quedado enganchada en el cono.

En el segundo caso, el cambiador siempre debe tener una estación intermedia entre el almacén y si mismo para poder seleccionar la herramienta del almacén antes de ejecutar el cambio de herramienta. Este elemento intermedio incorpora además un brazo, que a menudo es accionado mediante una leva mecánica que ejecuta las acciones con un solo movimiento rotativo. Estos sistemas de leva mejoran la fiabilidad y la rapidez del cambio. En el mercado existen cambios de estas características que cambian la herramienta en menos de 0,9 s.

La figura 23 muestra uno de estos cambios en un centro vertical. En este caso las herramientas también están expuestas a las virutas del mecanizado.

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Fig. 23.- Cambio de herramienta en un centro vertical

En otras configuraciones, este cambio es aislado por una puerta. Estos sistemas se utilizan cuando dos de los ejes se sitúan bajo el cabezal, como por ejemplo en el centro horizontal de la siguiente fotografía.

Fig. 24.- Centro de mecanizado horizontal con dos de los ejes situados debajo del cabezal, y donde el que el cambio de herramienta se encuentra aislado por una puerta

2.5.2 Cambio automático de palets

El cambio automático de palets intenta dar autonomía a la máquina e integrar el tiempo de preparación de la pieza en el tiempo de mecanizado. Mientras uno de los palets está dentro la zona de trabajo el otro está fuera, y el operador trae la pieza acabada y prepara la siguiente.

En el mercado existen, básicamente, dos tipos de cambiadores de palets: cambiador paralelo y cambiador rotativo.

En el cambiador paralelo la tabla realiza un movimiento de traslación entre las operaciones de carga y descarga. Por tanto, el cambio se compone de tres movimientos básicos. Este tipo de cambiador se utiliza sobretodo en centros verticales, cuando el cambio de palets sea lateral (para no ocupar el lugar del operador). También se utiliza en centros horizontales con el eje X bajo la tabla. En ningún caso se trata de un cambio rápido. Ver la figura 25 como ejemplo.

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Fig. 25.- Cambiador paralelo para a un centro de mecanizado vertical

El cambiador rotativo, en cambio, solo utiliza un movimiento de rotación de una estructura rotativa que engancha los dos palets y le intercambia las posiciones. Este cambio es mucho más rápido y mas adecuado en aplicaciones donde sea preciso reducir mucho el tiempo de no-corte (sobretodo si el ciclo de mecanizado por palet es pequeño). En las figuras 26 y 27 se presentan dos soluciones de este tipo para centro de mecanizado vertical y horizontal.

Figs. 26 y 27.- Cambiadores de palets rotativos para centro de mecanizado vertical (arriba) y horizontal (izquierda)

2.5.3 Evacuación de la viruta y refrigeración del c orte

Los altos rendimientos de corte que se han visto se pueden conseguir con el mecanizado de alta velocidad, tienen que ser asegurados por sistemas de extracción de la cantidad de viruta que se extrae y mejorados con buenos sistemas de refrigeración de la herramienta.

En aplicaciones de desbaste en aluminio la generación de viruta puede ser de hasta a 5 l/min de material compacto, que se pueden convertir en 20 o 30 litros de viruta. Si el sistema de extracción de viruta no es capaz de extraer el mismo caudal de viruta, ésta se acumulará en la zona de trabajo imposibilitando, antes o después, el trabajo. En cambio, en el caso de mecanizado de figuras 3D de pequeñas dimensiones, puede que en una semana no se generen ni 20 l de viruta, por lo que la extracción manual es suficiente.

Igualmente, los sistemas de refrigeración del corte con taladrina deben ayudar a la evacuación de la viruta además de cumplir su objetivo de enfriar el corte. Las chapas de la zona de trabajo deben ser entonces diseñadas para evitar las acumulaciones de taladrina. Así pues, en las zonas con este peligro hay que proyectar chorros de taladrina para evacuarla.

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2.6 Control térmico y evacuación del calor

A lo largo del apartado 2 se ha hecho referencia a la generación de calor de los sistemas de la máquina-herramienta, y entreviendo algunos de los sistemas de evacuación que se utilizan. En este apartado se desea realizar un compendio de todos estos focos de calor con el fin de destacar la importancia de su evacuación.

Uno de los conceptos más importantes en algunas de las aplicaciones que utilizan la tecnología del mecanizado de alta velocidad es la precisión. Si sabemos que:

Ecuación 21

donde ∆L es el aumento de longitud de un cuerpo de longitud L, ∆T el diferencial de temperatura del cuerpo y α el coeficiente de dilatación térmica del material del cuerpo, de esta relación se pueden extraer las siguientes conclusiones: la dilatación térmica depende de la característica propia del material α.

Para los materiales mas utilizados en construcción:

αfundición = 12,1 µ/ºCm

αpolímero = 12 µ/ºCm

αacero = 11,7 µ/ºCm

Por este motivo se suelen utilizar combinaciones de fundición y hormigón polimérico.

La variación de longitud del cuerpo depende también de su dimensión inicial L. Por lo tanto, es importante hacer las estructuras lo más compactas posible. Visto de otra manera, las máquinas no deberían ser sobredimensionadas, especialmente si se desea producir piezas con tolerancias muy estrechas.

Si hay que producir piezas con tolerancias menores que 0,010 mm., la temperatura no debería variar más de 1 o 2 ºC los sistemas de la máquina. Esto obliga a mantener estos sistemas termoestables, y a mantener la temperatura ambiente también constante (±0,5 ºC).

Una buena medida del comportamiento termodinámico de un sistema es la evaluación de su eficiencia. La energía perdida se transforma en deformaciones o calor. Todas estas consideraciones obligan a poner especial atención a la termodinámica de cada uno de los sistemas de la máquina, con el fin de elegir el mejor sistema de evacuación.

2.6.1 Motores de los ejes

El calor generado en el motor es proporcional a las aceleraciones que se desee obtener. Este calor se podría transmitir al soporte y al husillo de bolas. Por tanto, sobretodo en las máquinas con altas aceleraciones, hay que evacuar este calor. Los fabricantes de servomotores no integran, hoy por hoy, sistemas de evacuación de calor como estándar, pero algunos fabricantes de máquinas montan sistemas de convección forzada (ventiladores).

Siempre que se evacua el calor de un sistema hay que intentar no dirigirlo hacia otro. Por eso a veces es difícil la aplicación de estos ventiladores en algunos motores. Algunos fabricantes piensan en este factor por el diseño de la estructura de la máquina.

2.6.2 Husillo de bolas

El calor generado en el husillo de bolas se produce básicamente en la fricción de la rosca del husillo y en la hembra de bolas. Como en el caso del motor, cuanta más alta respuesta dinámica se requiera del sistema más elevada es la generación de calor.

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Como en los husillos L es bastante grande, la dilatación térmica puede ser bastante acusada. Pondremos como ejemplo un husillo de 1 m de L en acero. Si la temperatura cambia 2 ºC :

Ecuación 22

Estos valores son totalmente inaceptables siquiera en una máquina pensada para producir piezas de precisión media. Además, la variación de longitud afecta a los soportes del husillo cambiando las precargas de los rodamientos de contacto angular y, por tanto, a la rigidez del sistema. Esta variación puede afectar al ajuste del servosistema.

En estos casos se utilizan refrigeraciones con aceites que pasan por los husillos agujereados como un primer paso para evitar las dilataciones excesivas. Ver figura 28.

Fig. 28.- Refrigeración con aceite que pasa por los husillos agujereados como un primer paso para evitar las dilataciones excesivas

Otra solución complementaria es montar los husillos con suportes fijo-fijo con pretensión. Esta pretensión intenta absorber parte de los efectos de dilatación, haciendo el sistema más robusto ante las pequeñas variaciones de temperatura.

Estos sistemas son más complejos que otra solución adoptada por la mayoría de fabricantes que prevén problemas en este sentido. La solución se basa en dejar que el husillo se dilate o encoja. Estas variaciones de L serán compensadas por un sistema de medida lineal. Hay que decir que este sistema es una solución buena sólo si la regla está montada cerca del husillo y la zona de suporte es termoestable, con el fin de no inducir a errores angulares en la medida.

Con el fin de asegurar la precisión del eje, la solución ideal seria adoptar estas tres soluciones.

2.6.3 Cabezal

La generación de calor es, en última instancia, la causa de fallo y ruptura del cabezal excepto en casos de colisiones violentas. Es por tanto importante que se sepa qué elementos pueden aportar calor al sistema con el fin de evitarlo, o bien evacuar el calor de forma óptima.

Además, el calor generado y transmitido al cabezal que no sea evacuado, afecta a la precisión del eje Z por la dilatación térmica del propio cabezal, y se transmite al carro porta-cabezal afectando seriamente la precisión del eje perpendicular al eje principal del carro. Por ejemplo, en un centro de mecanizado vertical tipo C, el calor generado en el cabezal afecta tanto o más al eje Y que al eje Z.

El calor se genera en primer lugar en la zona de corte, aunque el mecanizado de alta velocidad intente reducir la transmisión de calor por conducción del punto de corte a la herramienta. Este calor se transmite a la parte rotativa del cabezal y, por tanto, directamente, a la jaula interior de los rodamientos.

También se genera calor por el roce entre las bolas y la jaula del rodamiento, debido al desequilibrio del rotor y a las propias bolas por la fuerza centrífuga del giro. Cuanto más grande sea el tamaño del rotor, más desequilibrio y más fuerza centrífuga.

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Por último, hay que tener en cuenta el calor generado por el motor, que puede transmitirse al cabezal.

Se observa entonces cómo la mayor parte del calor generado o transmitido al cabezal se concentra en el rotor. Desgraciadamente, los sistemas de refrigeración afectan al estator del cabezal (por razones obviamente tecnológicas) y, en menor medida, a las bolas de los rodamientos (el aceite vaporizado por el aire puede, además de lubricar, refrigerar esta zona). Este enfriamiento exterior, siendo necesario, provoca una diferenciación térmica entre la jaula interior y exterior del rodamiento que hace aumentar la precarga. Si ésta no se controla se puede provocar un aumento descontrolado del calor generado y la destrucción final de los rodamientos.

A la hora de estudiar los sistemas de evacuación de calor en los cabezales de las máquinas-herramienta de alta velocidad hay que tener en cuenta que este sistema tiene una variación muy importante de calor generado en función de la velocidad de trabajo del cabezal. En muchas de las aplicaciones los cambios de herramienta son continuos, a cada herramienta le corresponde una velocidad de trabajo y, por tanto, una generación de calor propia. Y un nuevo esfuerzo al sistema de evacuación para estabilizar la temperatura.

Fig. 29.- Circuito de refrigeración de un cabezal

La primera consecuencia del fuerte trabajo al que se ve sometido el sistema de evacuación es que hay que elegir un sistema de refrigeración que independice la temperatura ambiente de la regulación de la temperatura del circuito del cabezal. Éste ha de tener, por tanto, otro circuito de gas con compresor que pueda responder con rapidez a estos cambios de calor generados por el cabezal. En la figura 29 se presenta un esquema de refrigeración de un cabezal integrado.

Por tanto, hay que dimensionar el refrigerador para que el sistema tenga la menor constante de tiempo posible. Es decir: para que vuelva a una temperatura “estable” tras un cambio de velocidad, de la forma más rápida posible. Además, este dimensionamiento ayudará también a obtener un rizado de la temperatura mínimo cuando el cabezal mantenga la velocidad.

Aunque estos sistemas evacuen el calor con mucha rapidez, nunca se podría tener un sistema suficientemente grande como para mantener totalmente constante la temperatura del cabezal a cualquier velocidad. Este es el motivo por el cual muchos fabricantes compensan la dilatación del eje Z dependiendo de la ∆T y de la constante de tiempo del sistema de refrigeración, con tal de mantener la precisión del eje Z. Esta función es especialmente importante en la producción de moldes de precisión con figuras 3D.

En la figura 30 se presenta la característica exponencial de la dilatación del eje Z en un cabezal integrado pasando de 0 a 14.000 rpm. La constante de tiempo de este cabezal es de unos 6 min. En la figura 31 se muestra la característica de variación del eje Z con velocidad constante.

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Fig. 30.- Gráfico de dilatación del cabezal en función del tiempo, cuando pasamos instantáneamente de 0 a 14.000 rpm en el cabezal integral de un centro de mecanizado de alto rendimiento

Fig. 31. - Rizado de la dilatación del eje Z respecto al tiempo, debido a la compensación térmica constante a la que está sometido el cabezal. Los valores de pico son 0,003 mm

2.6.4 Área de trabajo y sistema de refrigeración de l corte

En general las estructuras de las máquinas envuelven o suportan la zona de trabajo. En esta zona se produce una gran cantidad de calor, cuya mayor parte se transmite a las virutas y al líquido refrigerante en caso que se utilice.

Estos dos elementos caen en las zonas laterales de la mesa de trabajo, transmitiendo su calor a los elementos de protección de los ejes y a la estructura. Esta aportación de calor localizada genera gradientes de temperatura a partes de la estructura que pueden entonces sufrir distorsiones y pérdidas de precisión.

En las máquinas donde se produzca una gran extracción de viruta y que estén destinadas a la producción de piezas de precisión, la zona de trabajo tendría que aislarse de la estructura de la máquina con cámaras de aire que hagan de barrera térmica.

2.6.5 Sistemas auxiliares

Otros componentes que deben que ser tenidos en cuenta a la hora de termoestabilizar la estructura de la máquina son los armarios eléctricos, las centralitas hidráulicas y, en general todos aquellos sistemas que generen calor alrededor de la máquina.

A menudo es necesario compactar el volumen de la máquina para facilitar el transporte y obtener el máximo rendimiento del suelo industrial. Por eso se suelen enganchar o colgar estos sistemas auxiliares en la estructura de la máquina. Si se hace esto hay que diseñar barreras térmicas entre éstos y la estructura, con tal de evitar la aportación de calor por conducción.

3 NUEVAS TENDENCIAS

En los últimos años se han realizado algunas incursiones en nuevas tecnologías con tal de mejorar algunas de las aplicaciones del mecanizado por arranque de viruta. A continuación se presentan dos de éstas.

3.1 Hexápodos

Los hexápodos son construcciones de máquinas-herramienta que basan los movimientos del cabezal en 6 barras accionadas por servomotores.

Esta construcción es mucho más compleja para soluciones con 3 ejes, porque para describir una línea recta paralela a uno de los ejes cartesianos es preciso interpolar los 6 ejes de las barras.

En cambio, puede presentar mejoras en soluciones de 5 ejes, porque las 6 barras ya pueden incluir los 2 movimientos de rotación del cabezal.

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La principal ventaja de este tipo de estructuras es la ligereza de los “carros”, que permiten dinámicas con aceleraciones muy elevadas con motores relativamente pequeños.

En la figura 32 se presenta una vista posterior de una de estas estructuras hexápodas:

Fig. 32.- Vista de la parte posterior del centro de mecanizado Urane de alta velocidad del fabricante Renault Automation (actualmente parte del grupo Comau)

3.2 Mecanizado por láser

En los últimos años la firma alemana Deckel-Maho ha presentado una tecnología que puede sustituir algunas de las aplicaciones actuales de los centros de mecanizado. Se trata del mecanizado por láser, que aporta una cantidad de energía mucho mayor por superficie, y que volatiliza el acero.

Esta tecnología puede tener algunas ventajas:

- El rayo láser tiene sólo 0,1 mm de diámetro. Por tanto se pueden realizar figuras con este radio y a cualquier profundidad.

- Al no utilizar herramientas, el operador no debe preocuparse de ruptura alguna, por lo que el proceso puede ser muy fiable. Además, el coste de la operación se mantiene bajo.

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- Se puede mecanizar cualquier tipo de material, incluso materiales cerámicos o carburo de tungsteno.

Esta tecnología podría, por tanto, sustituir a la electroerosión y al centro de mecanizado en algunas aplicaciones. De todas formas, el rayo láser extrae muy poco material por unidad de tiempo y, por este motivo, esta aplicación sólo es adecuada para pequeñas operaciones de grabado.

En las figuras 33 y 34 se muestra una vista de la máquina y un esquema con el funcionamiento del rayo.

Fig. 33.- Vista de la máquina Deckel DMU 60 L

Fig. 34.- El direccionamento del eje se hace rotando dos planos reflectores. Los sistemas de accionamiento, es por tanto, muy simple

Problemática de las máquinas de arquitectura paralela

1. INTRODUCCIÓN

Las mejoras en el campo de la máquina-herramienta van encaminadas a obtener la máxima libertad de movimientos, con una elevada rigidez y con una mínima masa a desplazar. Es decir, conseguir unas altas características dinámicas de máquina. La mejora de dichos aspectos debe llevar, como resultado final, a una mayor velocidad de mecanizado y a una mejor precisión y acabado, conduciendo a un aumento de la productividad, tanto por el menor tiempo de mecanizado como por la disminución de procesos de acabado.

La configuración de máquina convencional esta basada en una estructura en serie (figura 1). Dicha estructura presenta tantos ejes como grados de libertad dispuestos en serie y normalmente de acuerdo con unos ejes cartesianos X, Y, Z además de unos ejes de rotación, si es necesario. Este tipo de disposición no requiere un gran esfuerzo de control ya que cada eje de la máquina controla un grado de libertad cartesiano.

Frente a esa facilidad en el control, las máquinas con una configuración en serie presentan la desventaja de que cada eje deba soportar carga en todas las direcciones, y deba soportar y mover los ejes que van montados sobre él. Esta característica conduce a una alta masa a mover y por lo tanto a unas bajas características dinámicas de máquina. Esto se hace especialmente patente en grandes máquinas.

2. CINEMÁTICA PARALELA

Una solución a este problema es la utilización de cinemática paralela que ha dado lugar a las máquinas-herramienta de arquitectura paralela. En este tipo de máquina cada eje une directamente la base de la máquina con una plataforma móvil sobre la que va montado el cabezal, de ahí se puede decir que los ejes están dispuestos de forma paralela (figura 2).

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Fig. 1.- Máquina-herramienta con arquitectura en serie

Fig. 2.- Máquina- herramienta con arquitectura paralela clásica

El alto coste, principalmente computacional, que requiere controlar las longitudes de los distintos brazos de un mecanismo de estas características hizo que su utilización no se extendiese - salvo en el caso de aplicaciones donde dicho coste estuviese justificado, como es el caso de los simuladores de vuelo.

Hoy en día dicho coste ha sufrido una espectacular reducción y están apareciendo otras aplicaciones, especialmente en el mundo de la máquina-herramienta. Las primeras de estas aplicaciones introdujeron el concepto de “Hexápodo”, derivado del tipo de arquitectura paralela utilizada; la base de la máquina se encuentra ligada al cabezal mediante seis brazos, los cuales mediante la variación de su longitud consiguen la orientación exigida en la herramienta (figura 2).

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3. VENTAJAS E INCONVENIENTES

Las principales ventajas de la arquitectura paralela son las siguientes:

• Estructura mas simple • Menor inercia • Menor coste

Y sus principales inconvenientes se resumen en los siguientes puntos:

• Volumen de trabajo muy irregular con relación al volumen prismático deseables • Gran tamaño global de la máquina, en comparación con el volumen de trabajo. • Complejidad de control. Constante interpolación de 5 ejes y complejas rutinas de control no lineal • Dificultad de puesta a punto • Dificultad de compensación de errores

Mecanizado de Alta Velocidad: un conjunto de tecnologías nuevas

Objetivo: más calidad y reducción del time to marke t

Entre los objetivos a perseguir una industria metalmecáncia que utilice máquinas-herramienta se encuentran:

• obtener los más altos radios posibles de luminación de material • conseguir tolerancias dimensionales cada vez más estrictas - sobre todo en algunos sectores concretos • conseguir tolerancias de acabado que permitan que los rozamientos y la eficiencia del proceso en el que vaya a estar involucrada la pieza sea lo más rentable y eficaz posible • reducir los tiempos de mecanizado • reducir los costes de uso de las herramientas

Hace tres o cuatro años estos objetivos se perseguían mediante herramientas clásicas, con condiciones de mecanizado bastante conservadoras para disminuir esfuerzos en el proceso de copia y evitar malformaciones, tanto en la herramienta como en la máquina o en la propia pieza. Había que evitar vibraciones para mejorar el acabado superficial. Y evitar sobrecalentamientos. Todo ello requería máquinas rígidas y muy pesadas y tornos térmicamente estables especialmente en mecanizados de muy larga duración y largos tiempos de mecanizado.

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Afortunadamente la investigación en materiales ha permitido desarrollar recubrimientos de herramientas que permiten aumentar notablemente las velocidades de corte, por lo menos las teóricamente permisibles. La velocidad de mecanizado venía limitada por la temperatura, el agotamiento y otros factores. Distintas bibliografías pueden dar valores ligeramente distintos en función del material.

Con nuevos recubrimientos es posible superar las condiciones conservadoras hasta ahora establecidas. Con poca fuerza de, y teóricamente, y en casos muy concretos, es posible conseguir algunas ventajas. Las principales son:

- Gran volumen de inacción del material por unidad de tiempo

- Mejor calidad superficial

- Fuerzas de corte pequeñas, lo cual permite la realización de mecanizados de piezas de pared delgada, hasta ahora muy difíciles

- Ventaja adicional: las frecuencias de excitación escapan del margen crítico de frecuencias de vibración de la máquina - con lo que disminuye el riesgo de vibraciones y se alterar el transporte del calor, que se canaliza a través de la viruta.

No basta con una nueva herramienta

Para establecer estos requisitos no basta con una herramienta con el recubrimiento necesario o el que aconseje el fabricante, sino que es preciso arropar todo el sistema con distintos elementos que van mucho más allá de la propia herramienta. Es preciso tener muy en cuenta las posibilidades y limitaciones del cabezal de las herramientas, hay que re estudiar el fluido, y la máquina debe ser capaz de responder a las velocidad de mecanizado deseada y al perfil objetivo.

En cuanto a los controles numéricos ya no basta con programar cota a cota o con funciones sencillas: las velocidades y las dinámicas de las máquinas a considerar requieren funciones especializadas, funciones que permitan prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en el instante de tiempo siguiente.

Para conseguir tolerancias dimensionales estrictas es preciso controlar muy bien la temperatura, y otorgar mucha mayor atención que hasta ahora a la estrategia del mecanizado. A saber: filo herramienta, geometría, material, proceso que ha de seguir el programa de control numérico. Se pueden obtener grandes ventajas en cuanto a la herramienta y el mecanizado atendiendo a la estrategia de mecanizado con mayor detenimiento que hasta ahora.

Nuevo concepto de cabezal

El límite tradicional de los cabezales venía dado por la temperatura alcanzada por los rodamientos.

A lo largo del tiempo se han conseguido algunos logros y avances puntuales, cambiando los recubrimientos de las pistas de rodadura, utilizando híbridos cerámicos-acero o cambiando las lubricaciones. Recientemente han hecho aparición en el mercado los cojinetes electromagnéticos: ya no hay contacto y, en principio, desaparecen las limitaciones en cuanto al giro (si bien aparecen limitaciones en su excitación) y se consigue una vida media útil mucho mayor. Es un nuevo concepto

Características de distintos recubrimientos de herr amientas

Características TiN TiCN WC/C CrN TiAIN Multicapa TiAIN

Microdureza 2.300 3.000 1.000 1.750 3.000 3.500

Coeficiente de rozamiento contra acero

0,4 0,4 0,2 0,5 0,4 0,4

Temperatura máxima de trabajo 600 400 300 700 800 800

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El elemento que ha posibilitado que estas herramientas puedan trabajar a estas velocidades ha sido el estudio de nuevos materiales. En la figura 3 se muestran los coeficientes de rozamiento de algunos de los recubrimientos más utilizados en capas aisladas o en capas combinadas. Teniendo en cuenta que el coeficiente de fricción de acero contra acero está en torno a 0.8 se observa cómo el calor que se puede generar a iguales velocidades de corte puede ser bastante más reducido que los tradicionales. Estas ventajas también se producen al eliminar o reducir el fluido refrigerante. Sin embargo, hay herramientas que tienen un rango estrecho de utilización óptima.

Cada pieza a mecanizar tiene su conjunto óptimo de recubrimiento de la herramienta, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado. Incluso, debido a las legislaciones medioambientales, el fluido refrigerante puede ser función del país, pues puede requerir un proceso que no sea viable al no existir procesos alternativos. En definitiva, cada pieza requiere su propio compromiso.

El control numérico debe ser muy rápido. Hay que obtener ciclos por debajo del segundo. Debe tener cierto grado de previsión (look-ahead), de forma que pueda esperar qué cambios de velocidades, aceleraciones y cotas llegarán en el instante de tiempo posterior, y ello para poder reaccionar con el tiempo suficiente teniendo en cuenta las características dinámicas y la respuesta de la propia máquina.

Otra tendencia que está confirmada ya es la tendencia a controles abiertos, controles en los que el usuario final pueda incluir su propio software para el control de temperaturas, de vida de la herramienta, etc.

Estabilidad térmica: clave para mantener las tolera ncias

Para conseguir buenas tolerancias dimensionales, especialmente en mecanizados de larga duración, es muy importante la estabilidad térmica. También hay mecanizados en los que, aunque la duración del propio proceso no sea elevada (por ejemplo en el caso de taladros rápidos para mecanizar una caja) pueden transcurrir pocos minutos pero, sin embargo, requieren una serie muy larga y muy repetitiva en cuanto a tolerancias. El control de la temperatura es pues fundamental.

Ventajas del mecanizado de alta velocidad

Campo de aplicación Ejemplos

Gran volumen de corte por unidad de tiempo

Aleaciones ligeras de metal, acero y fundición

Sector aeronáutico Fabricación de moldes y troqueles

Alta calidad superficial Mecanizado de precisión Piezas especiales

Óptica Mecanizado de precisión superficial

Fuerzas de corte pequeñas Mecanizado de piezas de pared delgada

Sector aeronáutico Sector automóvil

Frecuencias de excitación elevadas

No mecanizado en frecuencias críticas Mecánica de precisión Industria óptica

Transporte de calor a través de la viruta

Mecanizado de piezas con influencia crítica del calor

Mecánica de precisión

Así pues, habrá que procurar la eliminación de las fuentes de distorsión térmica. Tradicionalmente, se mantiene la máquina en un entorno de temperatura controlada, pero en ocasiones ello no es posible. Así pues, los fabricantes de máquinas deben de tener en cuenta este factor en sus diseños constructivos,.de forma que las fuentes de calor lo repartan de manera uniforme sin que sea aplicado en puntos concretos para poder compensarlo mucho mas fácilmente.

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Limitaciones de la alta velocidad

Relación del diámetro de las herramientas con la profundidad y la calidad

Relación del diámetro de las herramientas con la velocidad de giro del cabezal. En ocasiones se habla de llegar hasta las 70.000 rpm pero, si se esta trabajando aluminio con ciertos diámetros, haría falta llegar a 100.000 rpm, cosa que hoy por hoy la tecnología no permite

El control numérico debe ser tal que pueda prever la trayectoria hacia donde se va para poder establecer estrategias.

El sistema CAM también tiene que ser capaz de realizar estrategias, dado que la mentalidad de la alta velocidad es completamente diferente a la del trazado convencional.

Precio actual de las maquinas

Desde el punto de vista de la estrategia de mecanizado se trata de reducir fuerzas de corte, tiempos de mecanizado y mejorar la vida del útil. Y no de factores tales como el ángulo de ataque, simplificación de perfiles o reducción del número de herramientas a utilizar.

Seguridad redoblada

Existe también un factor añadido: el riesgo que supone una masa moviéndose a muy alta velocidad. La energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad, y ésta resulta ser en la práctica hasta un orden de magnitud superior a la del mecanizado convencional: la energía involucrada en estos procesos es muy elevada. Ello implica protecciones para el usuario que pueden suponer un incremento de coste adicional con respecto a lo que tradicionalmente se considera una protección (chapa, cristal). Tienen que estar preparadas para soportar impactos de mayor envergadura (carenados, etc). El control numérico tiene que permitir entradas y salidas rápidas para reaccionar con prontitud. Y las masas en rotación tienen que estar equilibradas con mucho más cuidado.

Cuidado con las comparaciones

La alta velocidad comienza a ocupar cierta parte de mercado de un tipo de aplicaciones hasta ahora cubierto por la electroerosión, pero el sesgo existente es evidente en muchas de las comparaciones que se realizan entre el MAV y la electroerosión - a menudo en centros financiados con fondos públicos.

Las estimó faltas de rigor por confundir al usuario en la medida en que se presentan como una panacea a partir de conclusiones realizadas sobre situaciones no comparables. Mostró piezas para las cuales un conocedor de la electroerosión nunca consideraría esta tecnología, pero que habían sido usadas para presentar el mecanizado de alta velocidad un como un 60% más rápido que realizada por electroerosión, con más razón por cuanto se contabilizaba el tiempo de fabricación de unos taladros.

Características de la electroerosión

Independiente de la dureza de material

Sólo es aplicable a materiales conductores (actualmente en los moldes y las matrices de troquelería son fabricados con materiales conductores

Necesidad de fabricar un electrodo con la forma a obtener y de hacer un pulido manual (en matrices de forja no hará falta, en un molde, por lo general, si)

Capacidad de mecanizar formas complejas a profundidades importantes. Debido a que no hay esfuerzos mecánicos, pueden ser formas muy pequeñas, electrodos muy esbeltos y se puede llegar a rincones inaccesibles hoy por hoy para la alta velocidad.

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Limitaciones de la electroerosión

No se puede conseguir cualquier rugosidad en cualquier superficie. Nosotros podemos decir, muy orgullosos que conseguimos rugosidad VDI0 (0,15 micras RA, pulido espejo), pero no mas allá de 50 mm. de diámetro. Existe una relación directa entre la superficie máxima y la rugosidad mínima.

La electroerosión es un sistema relativamente nuevo de mecanización.

Para mejor ilustrar su argumentación acudió provisionalmente al sentido contrario, mostrando realizaciones imposibles de obtener con la alta velocidad, indicando que sería deshonesto por su parte declarar más eficiente la tecnología de la electroerosión en base a este ejemplo.

Acudió también a la historia reciente ejemplificando sobre la aparición del corte por láser para el que, tras las maquinas de electroerosión por hilo, muchos usuarios estimaron que el láser no sobreviviría. No fue así. A la aparición de la electroerosión por hilo se preguntaron por cuál era la mejor. Depende.

Solución: colaboración entre tecnologías de efecto sinérgico

Hay una diversidad de piezas mecanizables por alta velocidad y otras por electroerosión. Y, en muchas ocasiones, distintas fases de mecanizado o de acabado pueden ser realizadas con las diferentes tecnologías. Es pues preciso estudiar colaboraciones y avances tecnológicos para evitar que los usuarios tengan que acatar a ciegas la inversión de una maquina de uno u otro tipo. Es preciso realizar estudios comparativos de piezas en las cuales existe competencia entre tecnologías; analizar los aspectos técnicos y económicos de una tecnología pero sin olvidar ninguno, con el fin de conocer con rigor la inversión necesaria.

Finalmente, es muy posible que existan otros condicionantes ajenos al debate tecnológico. Por ejemplo: el tipo de trabajo que realiza habitualmente la empresa le puede condicionar decisivamente. La alta velocidad podría ser una buena tecnología para cierto tipo de estampas de forja pero, si es un moldista de formas complejas podría no resultarle adecuado. También es de gran importancia el tipo de máquinas de que disponga la empresa y su cartera de pedidos: no parece adecuad una máquina de alta velocidad para tenerla parada durante mucho rato.

Centros de coste de las máquinas de alta velocidad

Coste (y vida) de las herramientas

Relación entre el diámetro de las herramientas y la velocidad de giro del cabezal. Es un tema importante para saber hasta donde podemos llegar en los moldes o matrices o estampas de forja.

Coste (y vida) de los cabezales

Coste de la máquina

Centros de coste de las máquinas de electroerosión

Material de los electrodos

Coste de fabricación de los electrodos

Coste total de maquina (más reducido)

Tiempos de mecanización largos

Posible acabado manual

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Y las condiciones económicas, como siempre, son en sí mismas un fuerte condicionante: muy pocas empresas pueden permitirse una inversión del orden de magnitud de varios cientos de miles de dólares. También la dimensión y la seguridad de la cartera de pedidos: con una máquina ocupada 24 horas al día podría ser rentable, en caso contrario un buen estudio de amortización podría hacer aflorar dudas razonables.

Hablan los moldistas

Los fabricantes de este tipo de utillajes realizan piezas únicas o en series muy limitadas para que sus clientes puedan realizar producción en paralelo; cada vez se exige una mayor precisión y acabado superficial, pues las rebabas o brillos en las superficies plásticas suelen ser causados por defectos en el molde; incorporan mecanismos complejos (por ejemplo desenroscados de tuercas), que requieren movimientos de la máquina, pistones o correderas; y el mercado tiene tendencia a exigir una vida útil crecientemente mayor.

La inmensa mayoría de los moldistas mecaniza acero en piezas de tamaño medio, y cuenta con un equipamiento de producción muy diversificado: fresado, electroerosión, recitificado para los mecanismos de accionamiento y en la última fase de acabado, torneado, con tendencia al desuso por disminuir la demanda de moldes redondos; pulido de ajuste; taladrado y refrigeración.

Por lo general, los moldistas emplean fresado de alta velocidad en piezas grandes, y electroerosión en las pequeñas, en razón de la manejabilidad de la pieza pequeña en electroerosión y de la elevada velocidad relativa de las fresadoras en piezas pequeñas. Una limitación no señalada de la alta velocidad son los elevados niveles de contaminación acústica.

Si bien la alta velocidad no es exclusiva del fresado, sino que existe considerable bibliografía en torneado, recitificado e incluso taladrado, es en fresado donde más se está aplicando al ser la tecnología más potente de la actualidad: de un diseño CAD de geometría compleja a la generación del programa y su transmisión al control numérico obtenemos la superficie deseada. Exigiremos a la alta velocidad que o bien permita aumentar la calidad en un tiempo de mecanizado igual o inferior, o bien reduzca el tiempo de fabricación e iguale o supere la calidad, todo ello con respecto a la tecnología clásica.

Cuellos de botella: comunicación con el DNC

Es preciso distinguir entre MAV de materiales blandos y MAV de materiales duros. Los moldistas emplean materiales blandos para electrodos, cobre, grafito y prototipos de moldes (aluminio o resinas plásticas), que tienen una potencia específica de corte baja. También para el acabado de grandes superficies, como por ejemplo un parachoques, cuyas formas no suelen ser demasiado complejas (a excepción del Ford Ka).

En esta circunstancia, se podría obtener de la máquina el mayor rendimiento posible. Sin embargo, según sea el sistema de cálculo podría deformarse la geometría, al no poder seguir las trayectorias al ritmo impuesto. Sin embargo, aparece aquí un cuello de botella: la comunicación entre el DNC y la máquina no es, por lo general, suficientemente rápida, por lo que queda afectada la dinámica del conjunto del sistema y el mecanizado puede realizarse a alta velocidad pero la máquina podría estar parada durante la mayor parte del tiempo.

Un atractivo fundamental de la alta velocidad es la posibilidad de mecanizar sobre materiales endurecidos, pero en este caso las limitaciones no proceden de la máquina sino del proceso. El hecho de aumentar la velocidad exigirá el sacrificio de algún otro parámetro que habrá que compensar de alguna forma. Según las investigaciones llevadas a cabo recientemente, el parámetro más crítico es la pasada radial: la cantidad de diámetro que se fresa. Al reducir la pasada radial se puede aumentar la velocidad y el avance por diente.

Todo ello conduce a la posibilidad de plantearse realmente el paso a la alta velocidad por parte de los moldistas que realicen el tipo de aplicaciones mencionadas, siempre que se tengan presentes las consideraciones de entorno mencionadas. En poco tiempo, por otra parte, podrán también considerar esta tecnología para la fabricación de piezas pequeñas, cuyo tiempo de programación es ahora muy elevado.

Finalmente, el desbaste de materiales tanto duros como blandos. En el caso de materiales férricos, las máquinas disponen todavía de una confiabilidad insuficiente, por lo que en ocasiones es preciso repetir el proceso varias veces hasta que la pieza puede darse por buena.

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Herramientas para el "mecanizado de alta velocidad”

Sabemos ya que el mecanizado de alta velocidad (MAV) no se refiere sólo a la máquina, sino a un conjunto de elementos entre los que destaca la herramienta. Es una situación habitual la adquisición de una máquina de alta velocidad en la que, con el mismo programa, la herramienta habitual no soporta las elevadas temperaturas resultantes de incremento de energía cinética resultante.

La alta velocidad no existiría si no fuera por la posibilidad de disponer de herramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado al disponer una elevada temperatura de oxidación. La elevada velocidad de corte permite, en conjunción con los avances por diente

Se han realizado estudios de maquinabilidad en fresado rápido tanto para moldes como para matrices. Los materiales analizados han sido: 1) herramienta de metal duro recubierta; 2) Cermet y 3) CBN.

El primero resultó ser mejor que el segundo a igualdad de material a mecanizar: velocidad de corte mayor que permiten mayor velocidad de giro y de avance, menores tiempos de mecanizado y mayor vida útil de la herramienta. Se adoptaron dos tipos de recubrimientos: TiCN y TiAlN, y se desestimó el recubrimiento de TiN debido a su corta vida. La fragilidad de los aceros desaconseja el empleo de CBN, salvo en el caso de aceros extraduros.

Para el caso de las matrices para estampación se recomienda también el metal duro, y se desaconseja el cermet de todo punto. En cambio, el CBN, si bien no es operativo en fundiciones esferoidales, puede ser válido para fundiciones laminares como es el GG25, muy empleado por los fabricantes de matrices. Pero sólo en el caso de disponer de máquinas de muy altas prestaciones.

También se han realizado ensayos de corte sobre acero para moldes de 40 Hrc con herramientas de cermet, a pesar de no utilizarse para estas aplicaciones (sino cuando se desea evitar la transmisión de calor a la superficie a mecanizar, lo que no es el caso). El cermet presentó un comportamiento peor que en las herramientas recubiertas.

La comparación entre TiCN y TiAlN resultó ser favorable al TiAlN en desgaste y en rugosidad, en las siguientes condiciones de análisis: 40 Hrc, recubrimiento de enterizas de bola, diámetro 12 mm, velocidad de corte de 250 m/min, velocidad media de avance de 3.500 mm/min, ancho de corte de 0,2 mm de profundidad y 0,4 mm de anchura y un mecanizado equivalente a un área de 700 x 700 mm sin cambio de la herramienta.

En cambio, sobre material GG25 para matrices a 200 m/min el TiCN resultó ser algo mejor en desgaste de herramienta y calidad de la superficie mecanizada.

Nuevas estructuras para nuevas máquinas

Durante más de 50 años se ha utilizado el fundido. Los cálculos estructurales han sido, hasta ahora, patrimonio de la arquitectura y de la ingeniería civil, pero la exigencia de nuestro tiempo, la reducción de los tiempos, precisa de masas pequeñas que permitan elevadas aceleraciones.

Reducir la masa: sustituir bancadas y columnas por estructuras formadas mediante barras biarticuladas unidas mediante por nudos, que son los que soportan la carga. La masa se reduce en un orden de magnitud.

Preferencias por la electroerosión en comparación con el Mecanizado de Alta Velocidad

RESUMEN:

El mecanizado de alta velocidad (MAV) es uno de los temas favoritos en las discusiones actuales sobre las tecnologías modernas de fabricación, ya que este proceso ha avanzado sustancialmente desde hace poco. Sin embargo, las inversiones en procesos de manufactura tienen un tiempo de vida largo e influyen en la rentabilidad, calidad y tiempo de fabricación. Los nuevos procesos de manufactura no cubrirán nunca todas las demandas de todas las aplicaciones, y deben ser confrontados con alternativas.

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Esta contribución presenta una comparación objetiva entre el mecanizado de alta velocidad y la electroerosión, en términos de sus capacidades técnicas, económicas y ecológicas, con el fin de ayudar a los inversores a encontrar una base de decisión fiable. Se propondrá una pieza de referencia típica para evidenciar las aplicaciones características para la electroerosión, en comparación con las referencias existentes para mecanizado de alta velocidad.

1. TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS

Las herramientas para formar “piezas en forma de red” en un único paso de fabricación, como por ejemplo el “moldeado por inyección”, “estampación con matriz”, “moldeado por inyección de metal” y otras se están convirtiendo en las tecnologías de producción claves. Para que las herramientas de mecanizado sean efectivas en comparación con otras tecnologías, se necesita una mayor flexibilidad para el cambio, sistemas de cambio más rápidos, producción de series cortas a bajo coste y – lo más importante – una excelente organización y velocidad en la fabricación de herramientas dedicadas e innovadoras. Sería ideal que las herramientas utilizadas duraran con facilidad lo suficiente para producir series cortas y medias, y que mantuvieran la precisión en las secciones delicadas, gracias a un bajo desgaste. Esto implica realizar herramientas de materiales ultraduros.

Desde hace varios años los investigadores de producción mecánica trabajan intensamente en la optimización del diseño de herramientas para procesos de deformación, y en la innovación y mejor adaptación de las tecnologías de mecanizado de acuerdo con los requisitos prácticos. La electroerosión comenzó en 1954 para aplicaciones prácticas y desde entonces ha crecido hasta adoptar la posición de tecnología común y bien aceptada en los talleres de fabricación de herramientas y utillajes. Tanto la versión de electroerosión por penetración, cómo la electroerosión por hilo están bien introducidas y se aplican con normalidad. Su inconveniente es la complejidad inherente a esta tecnología. Dado que la formación profesional en electroerosión se ofrece en contadas ocasiones, en la mayoría de los talleres estos procesos se aplican a partir de “recetas de cocina” adaptadas empíricamente por los propios usuarios.

Las tecnologías de fresado y, en general, de arranque de viruta se usan desde hace mucho más tiempo y tanto su enseñanza como su documentación son mejores. El arranque de material ha recibido un nuevo impulso y ha ganado interés desde la introducción del MAV (Mecanizado de Alta Velocidad).

2. DESARROLLOS EN FRESADO DE ALTA VELOCIDAD

Desde que los ajustes utilizados para el rectificado (alta velocidad de corte, tamaño de viruta pequeño, mayor ángulo de cizallamiento) fueran introducidos en el fresado, junto con un ángulo de herramienta bien definido, se ha hecho posible el mecanizado de materiales duros o endurecidos; con una tasa de eliminación de material incrementada y, además, ganando en un acabado superficial muy fino. Las herramientas usadas, sin embargo, necesitan ser fabricadas a partir de los materiales con mayor resistencia al desgaste, como el carburo de tungsteno, por ejemplo. Estas herramientas muestran un riesgo de daño mayor y un tiempo de vida más corto. El fresado de alta velocidad requiere una planificación más cuidadosa y una mejor orientación del ángulo de mecanizado en relación a la superficie, para conseguir la alta velocidad de corte en la periferia de la herramienta, mientras que el centro de rotación tiene velocidad nula. También hay limitaciones de diseño respecto al husillo. Velocidades de 18.000 a 25.000 rpm son comunes, pero al usar herramientas de pequeño diámetro, son deseables velocidades de 60.000 a 80.000 rpm. El centro de mecanizado no sólo necesita husillo de alta velocidad, sino además su cuerpo debe ser rígido, libre de vibraciones, y con guías y actuadores rápidos. La variación del ángulo de mecanizado es posible sólo en máquinas que llegan a tener 7 ejes programados. Ello requiere de CNC especiales, y de largos ciclos de programación y comprobación de ausencia de colisiones. Durante el procesado, en una situación ideal se monitorizan el desgaste de la herramienta y las fuerzas de corte. Las figuras 1 a 3 ofrecen una vista de conjunto de las aplicaciones tecnológicas. La figura 4 muestra dos piezas de referencia propuestas en Alemania.

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Ajustes tecnológicos del fresado en 3 dimensiones

Fresado en 3 ejes siguiendo líneas

Inclinando la herramienta de corte a AV para evitar velocidades de corte nulas se incrementa la precaución necesaria contra las colisiones

Alternativas de movimiento de la herramienta en relación a la pieza a mecanizar

• Rotación en dirección del avance o en dirección contraria

• Remolque o presión de la herramienta

Fresado en 3 ejes circunferencial

Fig. 1.- Algunas influencias tecnológicas al emplear fresado de AV

Mecanizado de Alta Velocidad: ejemplos típicos La viruta transporta el calor gracias a un ángulo de cizallamiento elevado

Fig. 2.- Disposición de las herramientas y ejemplos de fresado de AV

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Característica Área de aplicación Ejemplo

Metales ligeros Aeronáutica y técnica aeroespacial Altas velocidades

Acero: hierro colado Talleres de herramientas y matrices

Mecanizado de precisión Mecánica fina. sensores, óptica Excelente acabado superficial

Piezas especiales Compresores espirales

Bajas fuerzas de corte

Mecanizado de piezas con paredes finas

Aeronáutica, técnica aeroespacial, automóviles, electrodomésticos

Alta excitación dinámica

Mecanizado lejos de estados de resonancia en piezas complicadas

Piezas de precisión, sensores, óptica

Ausencia de distorsión o de tensión residual

Piezas de precisión Transporte de calor por la viruta

Ausencia de carga térmica en la pieza

Aplicable a piezas de magnesio

Fig. 3:- Campos de aplicación del MAV y ejemplos (Prof. H. Shulz, PTW, Darmstadt)

Piezas de referencia para fresado de alta velocidad

Fig. 4.- Piezas de referencia para fresado de alta velocidad

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3. PUNTOS FUERTES EN LA APLICACIÓN DE PROCESOS DE E LECTROEROSIÓN

Las descargas eléctricas, las herramientas en los procesos de electroerosión, encuentran su camino en la brecha de mecanizado (“gap”) rellena de dieléctrico en cualquier dirección por autoignición. El proceso aplica calor y presión. En consecuencia, es independiente de la fortaleza mecánica de la pieza. Esto permite el mecanizado de cualquier forma, incluso cortes sesgados o grabados en la pieza. Si la geometría formada directamente por copia de un electrodo-herramienta (electroerosión por penetración) o indirectamente por un camino de herramienta programado (electroerosión por hilo) no producen el resultado deseado, puede aplicarse cualquier movimiento superpuesto. Los ejemplos más conocidos son penetración planetaria y corte por hilo en ángulo.

Puesto que el electrodo-herramienta puede moverse por medio de CNC en cualquier dirección vectorial cartesiana, las instalaciones de electroerosión no requieren más de 4 ejes operables simultáneamente. Son, por ello, relativamente fáciles de programar. La figura 5 muestra lo intricadas que pueden llegar a ser las geometrías mecanizadas por electroerosión. Son el resultado de la capacidad de las chispas de encenderse en cualquier dirección, y de la posibilidad de copiar la geometría de los electrodos, de generar nuevas formas por medio de movimiento CNC vectorial de electrodos con forma y de superponer movimientos a operaciones programadas. Finalmente, también de la capacidad de secuenciar el mecanizado de secciones de geometría parciales o de combinar una pluralidad de grabados en una operación de electro mecanizado utilizando electrodos en forma de bloque.

La figura 6 muestra una instalación de electroerosión por penetración ZK 600 con equipo completo, que incorpora intercambio de herramientas y alimentación de piezas paletizada, diseñada para uso 24 horas al día 7 días por semana. La planificación del trabajo y el control de los intervalos de mantenimiento deben organizarse para que se ejecuten durante los turnos de día, a pesar de las largas series de mecanizado. De otra forma, se pierde la mayor parte de la ventaja económica.

Mitades de molde electroerosionadas para terminales de fijación moldeados por inyección

Fig. 5.- Utillajes típicos de moldeo por inyección. Geometría compleja erosionada por medio de varias secuencias de penetración.

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Instalación para electroerosión por penetración par a electrodos-herramienta autónomos e intercambio de piezas

ZK-600 con capacidad para 50 electrodos e intercambiador de palets PW-3 de 8 palets

Fig. 6.- Electroerosión por penetración Z+K 600 con autonomía de mecanizado programada completa

4. VISIÓN DE CONJUNTO DE LAS CAPACIDADES TECNOLÓGIC AS Y DE APLICACIÓN DEL FRESADO DE ALTA VELOCIDAD Y LA ELECTROEROSIÓN POR PENETRACI ÓN

La electroerosión comparada con el mecanizado de alta velocidad.

Fabricación de herramientas / acero endurecido

Electroerosión Mecanizado de Alta Velocidad

No tiene límites geométricos Permite una tasa de eliminación de material alta.

Trabaja con independencia de las propiedades mecánicas

Es preferido para formas abiertas y aerodinámicas

Permite ciclos de mecanizado de fácil programación y ajuste.

Requiere de herramientas-electrodo perfectos y de una gestión de referencias

Necesita de herramientas muy precisas y de ejes cortos y rígidos.

Características clave

Su economía depende fuertemente del coste de los electrodos

Tiene límites con diámetros pequeños (velocidad de rotación del husillo y potencia)

Microgeometrías Grabados planos, aerodinámicos

Formas complejas, ranuras profundas Herramientas de formas premoldeadas.

Grabados profundos y rígidos; esquinas afiladas

Esquinas interiores redondeadas

Estructuras sensibles Mecanizado de bloques rígidos

Piezas con materiales múltiples Mecanizados de cuerpos de automóvil o avión anchos.

Aplicaciones típicas

Erosión multicavidad o multicanal

Fig. 7.- Comparación de las capacidades y aplicaciones de la electroerosión y el MAV

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5. PROPUESTA DE EVALUACIÓN DE UNA PIEZA PARA ELECTR OEROSIÓN

A nivel de taller, sería ideal disponer libremente de las tecnologías de MAV y electroerosión y usar sus ventajas allí donde sean aplicables. Las inversiones para ambos tipos de equipos, sin embargo, son todavía razonablemente elevadas y las capacidades de fabricación de ambas deben usarse completamente si se requiere un buen equilibrio económico y competitivo. Las empresas pequeñas y medianas deben pues decidir de acuerdo con sus preferencias. Las figuras 8 y 9 muestran argumentos para comparar ambas tecnologías.

Requerimientos del proceso

Área Mecanizado de alta velocidad Electroerosión

Comprobar colisiones con formas exteriores Proceso autocontrolado y programado

Comprobar colisiones con elementos de fijación

Comprobar fuerzas de corte y tiempo de vida de las herramientas

Restablecimiento adaptativo de proceso deteriorados (dispositivos de vigilancia “watch-dog” antiarco)

Comprobar continuamente rotura de herramienta

Supervisión del proceso

Comprobar velocidad de arranque Larga autonomía de funcionamiento desatendido

Se necesita maquinaria dedicada:

Equipamiento estándar:

Velocidades de husillo y de guías hasta 5-8 veces superiores Piezas a mecanizar extremadamente grandes

Dispositivos actuadores dinámicos especializados (“drives”)

Los controles CNC necesitan características especiales Rigidez; baja respuesta dinámica

Herramientas equilibradas Ajustes tecnológicos por medio de diálogos

Datos de maquinabilidad requeridos para cada material

Juegos de ajustes memorizados (herramienta, trabajo, geometría)

Controles CNC multiejes de alta velocidad

Equipamiento

Programación con splines y NURBS

Datos de maquinabilidad necesarios únicamente para familias de materiales (aceros, carburos de tungsteno, ...)

Programación compleja anticipativa

Programación organizada de trabajo/geometría/tecnología

Búsqueda de la posición óptima de los filos de herramienta

Definición problemática de la limpieza con chorro de dieléctrico (flushing)

Sincronización multiejes intensiva en tiempo. Los movimientos superpuestos dificultan el control

Planificación del trabajo

Comprobaciones de control de colisiones Gestión de los electrodos-herramienta

Fig. 8.- Comparación técnica MAV / EDM

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Aspectos económicos y organizativos

Área Mecanizado de alta velocidad Electroerosión

Personal Excelente conocimiento del saber hacer en fresado a partir del aprendizaje

El saber hacer en electroerosión normalmente es débil

Cada metal y geometría son erosionables. Hay gran libertad de movimiento

La combinación de mecanizado de alta velocidad y de baja velocidad es fácilmente aplicable

Excelentes cargas de trabajo

Pueden conseguirse excelentes cargas de trabajo

Es posible combinar la tecnología con el MAV para el acabado

Carga de los equipos - Longitud de la cadena de proceso

Una sola preparación para conseguir la pieza acabada Una sola preparación también para

geometrías con cortes sesgados

Complejo a causa de las limitaciones geométricas Procedimiento en forma de diálogo

preorganizado

Utillajes especiales, comprobaciones de colisión

No son necesarias las comprobaciones de colisión

Tiempo de vida de las herramientas limitado

Pueden conseguirse todas las geometrías con movimientos cinemáticos simples Programación en 6 ejes para alcanzar

geometrías complejas

Longitud de la cadena de proceso

Faltan datos de maquinabilidad para muchas aleaciones

Se requieren electrodos; en ocasiones varios de ellos, con una planificación y fabricación separadas

Fig. 9.- Comparación económica y de organización MAV / EDM.

La electroerosión por penetración requiere siempre de la preparación de electrodos, bien sea de cobre o grafito. En muchas ocasiones son fresados. Por ello, algunas empresas invierten primero en equipos de fresado. Normalmente los electrodos muestran una forma convexa. El material y la geometría facilitan el procedimiento de mecanizado. El corte por electroerosión ofrece buenas alternativas para la preparación de electrodos, si se precisa de un afilado fino.

Para facilitar las decisiones de inversión de los fabricantes de herramientas y para referirse más a requisitos geométricos, se propone una pieza de referencia para la electroerosión (ver figura 10). Dicha pieza ofrece una pluralidad de formas típicas, que se mecanizan favorablemente por electroerosión por penetración o en combinación. Pieza de referencia para electroerosión por penetración

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Fig.10.- Pieza de referencia para electroerosión por penetración

El objetivo de la pieza de referencia no es su fabricación completa. Pueden seleccionarse, para prueba o investigación, una de las geometrías típicas. La amplia abertura en el centro debería ser fresada o taladrada antes de templar el bloque, para evitar cualquier tensión residual a través de esta sección. Dos electrodos de grafito planos fijados de una estacada a la distancia necesaria se usarán luego para erosionar las caras laterales. Un electrodo de grafito fresado con la plaqueta frontal (5 x 5 mm / prof. 2,5 mm) será usada a continuación para acabar la abertura. El ejemplo de abertura en forma de túnel se erosiona en la dirección correcta combinando los ejes Z+ e Y- y por medio de un electrodo de cobre.

Las ranuras con una relación profundidad / anchura muy elevada pueden ser erosionadas con electrodos de grafito y con limpiezas (flushing) temporizadas, rectificados planos con el adecuado exceso (negativo). Para el ángulo de 90º puede usarse dos electrodos planos fijados al soporte adecuado. También se propone el uso de un electrodo de grafito para erosionar la ranura perfilada. Este electrodo se fabrica por fresado de una barra de grafito sólido, fijada a un portaherramientas, y usando un control numérico con control de trayectoria (ver figura 11).

Los dos grabados en forma de “cruz suiza” pueden usarse para comprobar el uso de cobre o grafito. El electrodo necesario puede verse también en la figura 11. Si se fresa con un equipo moderno de 5 ejes, se necesita 1,5 h de trabajo, excluyendo la programación.

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Electrodo de cobre de 80 mm. Fresado en alta velocidad durante 1,5 h. El grafito es una alternativa

Electrodo de grafito. Fabricado con MAV y CNC con control de trayectoria

Electrodo de cobre torneado y rectificable Electrodo de cobre torneado para erosionar la puerta en forma de túnel

Fig. 11.- Ejemplos de electrodos para electroerosionar la pieza de referencia

En un lado de la pieza de referencia se muestra una serie de ranuras de cola de milano. Estas formas se usan para unir piezas complementarias. El electrodo puede fresarse plano con facilidad. Todas las ranuras paralelas se erosionan de una vez. El perfil de la esquina derecha de la fotografía es un ejemplo para el mecanizado de formas complejas siguiendo una trayectoria. El electrodo es simplemente torneado a partir de cobre o grafito y puede rectificarse con facilidad, si la combinación de diámetros lo permite. Esta operación evita la fabricación de una herramienta especial, y del tiempo y coste asociados.

6. POSIBILIDADES DE COMBINACIÓN MAV y EDM

La descripción de las diferentes características de la “Pieza de referencia para electroerosión” han evidenciado la posibilidad de combinar las tecnologías de MAV y EDM. Cuando ambos procesos pueden efectuarse bajo el mismo techo, es la opción recomendable. De otra forma, los electrodos de perfil de cobre o grafito pueden fabricarse así mismo por electroerosión usando el hilo como electrodo. Las opciones de corte inclinado también permiten el mecanizado de caras ligeramente inclinadas, o bien cortes posteriores permiten crear piezas tridimensionales. Existe tres modos de combinar la aplicación de la electroerosión por penetración y el fresado de alta velocidad:

- Fresar las formas amplias de una herramienta, como por ejemplo, una matriz para formar combinaciones de parachoques y spoiler; seguidamente, la erosión por penetración realiza las ranuras, soportes y detalles complicados

- Utilizar el fresado de alta velocidad para la preparación de electrodos. Los materiales usados para fabricar electrodos son más fáciles de mecanizar que un acero endurecido y las formas exteriores son fácilmente accesibles por cualquier fresadora (ver figuras 12 y 13)

- Utilizar operaciones de fresado “basto” (taladrado) o de ranurado para la preparación de bloques bastos antes de su temple para evitar posteriores deformaciones por tensión

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Fig. 12. Electrodos de grafito fresados para moldes de inyección para un terminal de fijación

Fig. 13.- Bloque de electrodos fresado en alta velocidad con diversas aletas largas para erosionar un molde

7. CONCLUSIONES

Esta contribución trata acerca de los criterios técnicos para delimitar dos tecnologías de fabricación: fresado de alta velocidad y electroerosión por penetración. Cada método domina un área de aplicación en función de las dimensiones y la estructura de las formas a producir. Como es común en los procesos de producción, entre tecnologías en competición existe también una razonable área de solapamiento. Las decisiones económicas darán prioridad a un método u otro en función de las limitaciones monetarias en la instalación de ambos. Las sobrecargas temporales en una máquina o dificultades causadas por cambios súbitos en los programas de producción pueden también condicionar las prioridades.

Esta presentación proporciona múltiples argumentaciones para ambos procesos, en referencia al equipamiento, tecnología y planificación. En un resumen breve, podría decirse que el MAV ofrece la máxima velocidad de eliminación de material combinada con una excelente calidad de superficie, y una tolerancia un poco menor para grabados esencialmente planos y grandes volúmenes de producción. La electroerosión por penetración encuentra su campo de aplicación por excelencia son las formas con ranuras profundas, complejas e intricadas y también en las aplicaciones que llegan a dimensiones micro.

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Relación Diámetro / Longitud de la herramienta

Dureza del material (c)

Fig. 14.- Áreas de partición para el mecanizado en baja y alta velocidad y la electroerosión en función del tamaño de la herramienta y la dureza de la pieza

Ambas tecnologías muestran en el mercado todavía una gran capacidad de innovación y progreso. Así pues, es necesario mantenerse informado continuamente sobre las nuevas tendencias y desarrollos. Recomendamos una comparación cuidadosa para las inversiones a largo plazo.