Mecanizado de Alta Velocidad

MECANIZADO DE ALTA
VELOCIDAD
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA
MECANICA F.I.U.B.A.
ING. GUILLERMO CASTRO
FEBRERO 2008
1
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:
•
etc.).
•
Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados,
titanio, níquel,
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.
2
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/CAMCNC) 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.
3
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
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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 de 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 con 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
TiAlN
(multicapa) (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
trabajo
600
400
300
1000
800
800
Color
oroamarillo
azulgris
gris oscuro
violeta-gris
púrpura-gris
Espesor del recubrimiento
1-4
1-4
máxima
de
1-4
2-6(1/3 wc/c; 2/3
1-5
TiAlN)
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 Mecanizado de restos: El paquete de CAD/CAM debe
control total de la trayectoria programada, el reconocer de forma automática zonas que no ha
software nos debe permitir en todo momento mecanizado una herramienta anterior.
cambiar la dirección de mecanizado.
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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
Planos en Z
Estrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAM La senda de mecanizado contornea la geometría con
.
incorpora, la senda de mecanizado se proyecta con un pasos verticales constantes.
ángulo programado
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Espiral
Radial
Se proyecta la forma de una espiral sobre la pieza
El software proyecta radios sobre la geometría con una
separación que se introduce por el usuario
Offset
Mecanizado por zonas
En esta estrategia se mantiene constante el paso El software debe dar la posibilidad de dividir la pieza
lateral proyectado sobre la superficie para lo cual, por zonas y así, mecanizar cada zona con la estrategia
realiza una reducción del contorno sobre toda la que más convenga.
superficie de la pieza.
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.
15
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. Accionamientos 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:
16
•
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 LookAhead 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.
17
Perfiles de aceleración
Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curva
2
trapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una función sen .
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.
18
>
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.
19
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
20
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.
21
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),
22
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.
Aeronáutica: piezas de estructuras
Velocidad angular
(S)
Vc
Aluminio
1200 15
25.500
220
1
70.000
60
Ø 10
1.900
Moldes de inyección de plásticos multicavidad Acero
de precisión
1.2344
Aeronáutica: piezas estructurales
Herramienta
mínimo
Material
Titanio
DIN
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 (fz) 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).
23
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
Aeronáutica: piezas de
Aluminio
estructuras
Moldes de
plásticos
Aeronáutica:
estructurales
inyección Acero
1.2344
piezas
Titanio
Velocidad
(S)
Avance
por Avance
de
diente (fz)
trabajo (F)
3 15
25.500
0,25
19.125
2 1
70.000
0,05
7.000
3 Ø 10
1.900
0,2
1.140
Z
DIN
Herramienta
mínimo
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 tiempo (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
3
MRp = constante que define la cantidad de material desalojado por unidad de potencia (cm /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
4303 71,4 60,2
Moldes inyección plástico
Acero DIN 1.2344 7.000
Aeronáutica: piezas estructurales Titanio
1.140
15 15
0,4 0,04 0,112 14,7 0,008
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.
24
1.4 Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte
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 / desaceleraciones 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.
25
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.
26
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
deformaciones de la estructura y de los elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales
deforman, los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la precarga.
amortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto hace que los parámetros de diseño de
elementos constructivos siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.
las
se
La
los
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:
27
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.
28
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:
29
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 LA 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.
30
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.
31
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.
32
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.
33
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.
34
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.
35
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
36
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.
37
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
38
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
39
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.
40
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
41
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).
42
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.
43
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.
44
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.
45
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.
46
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 corte
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.
47
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 máquinaherramienta, 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.
48
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.
49
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.
50
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 del 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.
51
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.
52
- 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 Fig. 34.- El direccionamento del eje se hace rotando dos planos
DMU 60 L
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 máquinasherramienta 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).
53
Fig. 1.- Máquina-herramienta con arquitectura en Fig. 2.- Máquinaserie
paralela clásica
herramienta
con
arquitectura
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).
54
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 market
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.
55
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 herramientas
Características
TiN
Microdureza
2.300 3.000 1.000
1.750 3.000
3.500
0,4
0,4
0,2
0,5
0,4
0,4
Temperatura máxima de trabajo 600
400
300
700
800
800
Coeficiente de
contra acero
rozamiento
TiCN
WC/C CrN
TiAIN Multicapa TiAIN
56
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 tolerancias
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
Campo de aplicación
velocidad
Ejemplos
Gran volumen de corte por unidad Aleaciones ligeras de metal, acero y Sector aeronáutico
de tiempo
fundición
Fabricación de moldes y
troqueles
Alta calidad superficial
Mecanizado de precisión
Piezas especiales
Fuerzas de corte pequeñas
Frecuencias
elevadas
de
Mecanizado
delgada
de
piezas
Óptica
Mecanizado
superficial
de
de
precisión
pared Sector aeronáutico
Sector automóvil
excitación No mecanizado en frecuencias críticas
Mecánica de precisión
Industria óptica
Transporte de calor a través de la Mecanizado de piezas con influencia Mecánica de precisión
viruta
crítica del calor
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.
57
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.
58
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
59
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.
60
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.
61
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.
62
Ajustes tecnológicos del fresado en 3 dimensiones
Fresado en 3 ejes siguiendo líneas
Alternativas de movimiento de la herramienta en
relación a la pieza a mecanizar
Inclinando la herramienta de corte a AV para evitar
velocidades de corte nulas se incrementa la
precaución necesaria contra las colisiones
•
•
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
63
Característica
Altas velocidades
Excelente
superficial
Bajas
corte
Ejemplo
Metales ligeros
Aeronáutica y técnica aeroespacial
Acero: hierro colado
Talleres de herramientas y matrices
acabado Mecanizado de precisión
Mecánica fina. sensores, óptica
Piezas especiales
fuerzas
Alta
dinámica
Área de aplicación
de Mecanizado de
paredes finas
excitación
Compresores espirales
piezas
con Aeronáutica,
técnica
aeroespacial,
automóviles, electrodomésticos
Mecanizado lejos de estados de
resonancia
en
piezas Piezas de precisión, sensores, óptica
complicadas
Ausencia de distorsión o de
Piezas de precisión
Transporte de calor tensión residual
por la viruta
Ausencia de carga térmica en la
Aplicable a piezas de magnesio
pieza
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
64
3. PUNTOS FUERTES EN LA APLICACIÓN DE PROCESOS DE ELECTROEROSIÓN
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.
65
Instalación para electroerosión por penetración para 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 TECNOLÓGICAS Y DE APLICACIÓN DEL FRESADO
DE ALTA VELOCIDAD Y LA ELECTROEROSIÓN POR PENETRACIÓN
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
propiedades mecánicas
Características
clave
de
las Es preferido para
aerodinámicas
formas
abiertas
y
Permite ciclos de mecanizado de fácil
programación y ajuste.
Requiere
de
herramientas-electrodo Necesita de herramientas muy precisas y
perfectos y de una gestión de referencias
de ejes cortos y rígidos.
Su economía depende fuertemente del Tiene límites con diámetros pequeños
coste de los electrodos
(velocidad de rotación del husillo y potencia)
Aplicaciones
típicas
Microgeometrías
Grabados planos, aerodinámicos
Formas complejas, ranuras profundas
Herramientas de formas premoldeadas.
Grabados profundos y rígidos; esquinas
Esquinas interiores redondeadas
afiladas
Estructuras sensibles
Mecanizado de bloques rígidos
Piezas con materiales múltiples
Mecanizados de cuerpos de automóvil o
avión anchos.
Erosión multicavidad o multicanal
Fig. 7.- Comparación de las capacidades y aplicaciones de la electroerosión y el MAV
66
5. PROPUESTA DE EVALUACIÓN DE UNA PIEZA PARA ELECTROEROSIÓN
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
elementos de fijación
Supervisión
proceso
del
con
Comprobar fuerzas de corte y Restablecimiento adaptativo de proceso
tiempo de vida de las herramientas (dispositivos de vigilancia “watch-dog” antiarco)
deteriorados
Comprobar continuamente rotura
de herramienta
Larga autonomía de funcionamiento desatendido
Comprobar velocidad de arranque
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
Equipamiento
Ajustes tecnológicos por medio de diálogos
Herramientas equilibradas
Datos
de
maquinabilidad
requeridos para cada material
Controles CNC multiejes de alta
velocidad
Programación
NURBS
con
splines
Programación compleja
anticipativa
Juegos de
geometría)
ajustes memorizados
(herramienta,
trabajo,
Datos de maquinabilidad necesarios únicamente para familias
y de materiales (aceros, carburos de tungsteno, ...)
Programación organizada de
trabajo/geometría/tecnología
Búsqueda de la posición óptima de Definición problemática de la limpieza con chorro de
dieléctrico (flushing)
Planificación del los filos de herramienta
trabajo
Sincronización multiejes intensiva
Los movimientos superpuestos dificultan el control
en tiempo.
Comprobaciones de control de
Gestión de los electrodos-herramienta
colisiones
Fig. 8.- Comparación técnica MAV / EDM
67
Aspectos económicos y organizativos
Área
Mecanizado de alta velocidad
Personal
Excelente conocimiento
hacer en fresado a
aprendizaje
Electroerosión
del saber
El saber hacer en
partir del
normalmente es débil
Cada
metal
y
La combinación de mecanizado de alta erosionables. Hay
velocidad y de baja velocidad es movimiento
fácilmente aplicable
Carga de los equipos Longitud de la cadena Pueden
conseguirse
de proceso
cargas de trabajo
electroerosión
geometría
son
gran libertad de
Excelentes cargas de trabajo
excelentes
Es posible combinar la tecnología con el
MAV para el acabado
Una sola preparación para conseguir
la pieza acabada
Una sola preparación también para
geometrías con cortes sesgados
Complejo a causa de las limitaciones
Procedimiento en forma de diálogo
geométricas
preorganizado
Utillajes especiales, comprobaciones
de colisión
No son necesarias las comprobaciones
de colisión
Longitud de la cadena Tiempo de vida de las herramientas
limitado
de proceso
Pueden
conseguirse
todas
las
geometrías con movimientos cinemáticos
Programación en 6 ejes para alcanzar simples
geometrías complejas
Se requieren electrodos; en ocasiones
varios de ellos, con una planificación y
Faltan datos de maquinabilidad para fabricación separadas
muchas aleaciones
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 Electrodo de grafito. Fabricado con MAV y
durante 1,5 h. El grafito es una alternativa
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 /
herramienta
Longitud
de
la
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.
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