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«Alumno»
Trabajo Obligatorio TEORÍA DE TALLERAbril 2012
FUNDACION SAN VALEROSEAS, Centro de Formación Abierta
ZARAGOZA
PROPUESTA DE TRABAJO OBLIGATORIO
PÁG.: 2/78
FC-045-02
CONTENIDO
Introduccion
Objetivo
1. Definicion de Mecanizado de Alta Velocidad - MAV
2. Parametros y condiciones para MAV
3. Herramientas para MAV
4. Portaherramientas para MAV
5. Conos portaherramientas para MAV
6. Refrigeracion en MAV
7. Electromandrinos para MAV
8. Motores lineales para MAV
9. Controles Numericos para MAV
10. Software CAD/CAM para MAV
11. Aplicaciones para MAV
12. Anexo
13. Nuevas tendencias
14. Conclusiones
INTRODUCCION
En los ultimos anos hemos visto la creciente modernizacion y utilizacion de nuevas
tecnologias en la industria en general, esto gracias tambien al auge que han tenido las
computadoras hasta el dia de hoy. Ya es comun ver sistemas automaticos implementados en
la industria que cuentan cada vez con mayores prestaciones y menores gastos economicos.
La industria mecanica es una de la cuales dio un gran salto al tener innovadoras tecnologias
tanto para fabricacion de piezas y mecanizados como para varios procesos de produccion.
Dentro de estas tecnologias cabe destacar el Mecanizado de Alta Velocidad MAV el cual
ha evolucionado tanto al punto de poder realizar tareas que antes se creian imposibles.
En este trabajo hablaremos de lo relacionado con el MAV con el fin de dar a conocer este
proceso de gran prestacion y asi exponer el tema de modo que mas personas se familiaricen
con este tacnologia.
OBJETIVO
Conocer el concepto de MAV y su aplicación práctica.
Relacionar partes de la asignatura, especialmente el área de CAD-CAM, con las
nuevas posibilidades de mecanizado.
En general, ampliar los conocimientos globales sobre mecanizado y tecnologías de
aparición más reciente.
1. DEFINICION DE MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD – MAV
El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización del mecanizado con las
posibilidades existentes limitado por la pieza/material a mecanizar y las herramientas-
máquinas (CAD/CAM-CNC) disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de
corte entre 5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional “para cada
material”.
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. 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 limites operativos del proceso. Por ejemplo, no es
lo mismo mecanizar:
Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados,
titanio, níquel, etc.)
Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca
maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).
Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros de corte, estrategias
de mecanizado, volumen de material extraído por unidad de tiempo, etc. La velocidad de
corte y las condiciones de proceso en general dependerán del material a mecanizar. La
siguiente gráfica muestra los rangos de velocidades de corte en función del material
mecanizado.
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.
Cabe destacar unas de las ventajas del MAV
Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles, posibilidad de
mecanizar paredes delgadas (0,2 mm)
Mayor precisión de los contornos , mejor calidad superficial y tolerancias
dimensionales más precisas
Reducción del tiempo de pulido
Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado
Mecanizado de paredes finas
Reducción del tiempo de mecanizado y coste global
Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta
Evacuación casi total del calor por medio de la viruta
Aumento en la vida de la herramienta
Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera mecanizado en
caliente
2. PARAMETROS Y CONDICIONES PARA MAV
PARÁMETROS DE CORTE
A continuacion se definen los siguientes parámetros:
Vc Velocidad de corte. Es la velocidad tangencial de un punto situado en el perímetro
circular de la herramienta. Sus unidades son de velocidad lineal y generalmente se
utiliza el m/min.
S Velocidad de giro de la herramienta expresada en unidades de velocidad angular.
Generalmente las unidades son rev/min (rpm) o (min-1).
F Avance de mecanización: Velocidad lineal del centro de la herramienta. Se expresa
en unidades de velocidad lineal y generalmente en mm/min.
Fz Avance por diente: Distancia recorrida en el sentido y la dirección del Avance por la
fresa en el espacio de tiempo en el que un diente o labio de herramienta ha tardado
en girar una vuelta completa. Generalmente este concepto se define como la
cantidad de material (en unidades de distancia lineal) que arranca cada diente por
vuelta. Tiene unidades de medida lineal dividido por revoluciones y generalmente se
expresa en mm/rev.
Las ecuaciones que relacionan éstos parámetros son las siguientes:
[Ecuación 1]
Donde
Vc velocidad de corte (m/min)
S velocidad de giro (rpm) o (min-1)
D diámetro de la herramienta (mm)
[Ecuación 2]
Donde:
F Avance (mm/min)
fz Avance por diente (mm/rev)
z Número de dientes
Es importante destacar que la velocidad de corte es un valor relacionado con el material que
se quiere mecanizar, con la composición físico-química de la herramienta y la esbeltez de
esta. El avance por diente depende más de factores como la geometría de la herramienta y
su diámetro y no de los que se han relacionado con la velocidad de corte.
Continuamos con la definición de parámetros:
Ap Incremento de pasada en Z que corta una herramienta en profundidad de corte y la
siguiente. Es una distancia y por tanto tiene unidades lineales. Generalmente en mm.
Ae o P Incremento de pasada lateral o radial (en el plano XY) que realiza una herramienta
en una trayectoria de corte y la contigua . Es una distancia y por tanto tiene unidades
lineales . Generalmente en mm.
De o Dt Diámetro efectivo de corte. Es el diámetro mayor de la herramienta que está
en contacto con la herramienta en el momento del corte. Es un diámetro y por lo
tanto tiene unidades lineales, generalmente mm.
Estos parámetros determinan las condiciones de corte de las herramientas y cuáles son las
rugosidades previstas después de cada operación.
Se presentan a continuación definiciones de diferentes tipos de rugosidad. Para su
definición se ha empleado el estándar que utiliza la herramienta esférica como herramienta
de partida.
Rmax o Ad Rugosidad máxima. Es la altura máxima de la cresta resultante de haber
trabajado con una herramienta de cierto diámetro con un cierto valor de incremento
lateral P. Tiene unidades lineales y normalmente se utilizan um (micrómetros).
La relación entre Rmax y D, P es la siguiente:
Por Pitágoras se puede decir que:
[Ecuación 3]
[Ecuación 4]
Si se desprecia el valor Rmax² (normalmente se trabaja con valores del orden de 0,01 a
0,0005 mm, y por lo tanto su cuadrado no es muy significativo) se tiene que:
[Ecuación 5]
Y por lo tanto:
[Ecuación 6]
O lo que es lo mismo:
[Ecuación 7]
Donde:
R Radio de la herramienta (mm)
P Incremento de pasada lateral o radial (mm)
Rmax Rugosidad máxima (mm)
Ra Desviación aritmética media. Es la media aritmética de los valores absolutos de las
desviaciones del perfil. Normalmente este es el parámetro escogido cuando se habla
de calidad superficial. Su expresión es la siguiente:
CONDICIONES DE CORTE
Corte a favor o en oposición
En la mecanización tradicional la elección del tipo de corte era muy variable y dependía
mucho del operario de la máquina. Se tenían que tener en cuenta criterios como las
vibraciones y las holguras de los tornillos de bolas.
Pero en la alta velocidad hay coincidencia en la preferencia de corte en oposición,
especialmente en la mecanización de materiales duros. Está comprobado
experimentalmente que la vida de la herramienta es mucho mas larga si se trabaja en
oposición en estos tipos de materiales.
Para materiales blandos como el grafito e incluso el aluminio y el cobre este echo no es tan
determinante y la elección dependerá mas de otros factores como la rigidez de la máquina
(en el corte a favor la herramienta tiene tendencia a clavarse más en el material, mientras
[Ecuación 8]
que en el corte en oposición la herramienta es escupida hacia fuera si el sistema
herramienta-portaherramienta-cabezal no es suficientemente rígido.
Gráfico ilustrativo del corte en oposición y a favor. En el corte a favor se produce un
recorte en la viruta ya que la herramienta se mueve en el sentido hacia donde esta es
expulsada. En el corte en oposición esto no ocurre, ya que la viruta es expulsada hacia el
sentido contrario al movimiento: hacia atrás. Color verde: dirección y sentido de avance;
Color rojo: sentido de giro de la herramienta; Flechas negras: dirección y sentido de
salida de la viruta.
Estabilidad en el corte
Como norma general se puede decir que las herramientas esféricas integrales o de plaqueta
son más estables si trabajan con una pasada radial considerablemente mas grande que la
pasada axial.
Exactamente al contrario se puede afirmar de las herramientas integrales, planas o
toroidales, estas trabajan mucho mejor completamente de costado y su corte no es tan
estable cuando se les somete a procesos de ranurado, Esta consideración no se puede hacer
extensible a las herramientas planas o toroidales de plaquetas o a los platos de plaquetas. La
estabilidad en estas últimas vendrá dada por la geometría de la plaqueta.
Sí por ejemplo para herramientas esféricas es usual trabajar con pasadas radiales del 20 al
60% del diámetro de la herramienta mientras que las axiales irán del 2 al 7-8%. No hace
falta decir que estos parámetros dependen de condiciones como el material a mecanizar, la
calidad de la herramienta, su longitud y la calidad del programa.
Para herramientas integrales planas se pueden usar desde un 50% a un 150% en pasada
axial y hasta un 7-8% en pasada radial. Estos parámetros también dependen de las
condiciones descritas en el párrafo anterior.
Se presenta una pequeña tabla como ejemplo de lo que podrían ser parámetros de partida en
la utilización de herramientas integrales recubiertas de TiAIN para la mecanización de
aceros.
3. HERRAMIENTAS PARA MAV
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.
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.
Hay tres puntos importantes para considerar a la hora de estudiar las herramientas para
MAV: Geometria, Material y Recubrimiento.
- GEOMÉTRIA
Forma de la herramienta
Se puede establecer la siguiente clasificación:
Herramientas integrales o macizas
Herramientas esféricas
Herramientas planas
Herramientas toroidales
Brocas
Herramientas de mandrinado
Herramientas de plaquitas
Herramientas esféricas
Herramientas planas
Herramientas toroidales
Brocas
Las herramientas integrales presentan generalmente una mejor tolerancia dimensional
que las herramientas de plaquitas. Aparte del error inherente a la plaquita, hay que añadir
en la mayoría de los casos un error asociado al ensamblaje de la plaquita en su adaptador.
Por lo general, las herramientas integrales son preferibles para las operaciones de acabado,
si bien se están comercializando plaquitas que tienen mucho mejor resuelto este problema
que las generaciones anteriores.
La gran ventaja de la plaquita es indudablemente su rendimiento económico. Cuando se
considera que la herramienta integral ha dejado de ser funcional, hay que sustituir toda la
herramienta mientras que, en el caso de la plaquita, basta con cambiarla o, en muchos
casos, con aplicarle una rotación en el caso de que tenga diferentes zonas de corte
disponibles. Esta ventaja la convierte en la herramienta más adecuada en el mecanizado de
piezas de mediano o gran tamaño, e incluso en operaciones de tamaño mediano para
operaciones tales como el desbaste. De todas maneras, esta elección depende del usuario y
de la estrategia de corte elegida.
En el caso del mecanizado de materiales templados con un elevado grado de dureza es muy
usual, cuando el volumen de la pieza no es muy grande, realizar los desbastes con
herramientas integrales, pues presentan una mayor duración de vida y un mejor
comportamiento. En cualquier caso, es importante destacar que las herramientas para este
tipo de mecanizado son considerablemente más caras que las herramientas tradicionales.
Las herramientas esféricas (figuras 1 y 5) son especialmente necesarias en el mecanizado
de piezas con superficies en 3 dimensiones, aunque también pueden ser utilizadas en 2
dimensiones. Las herramientas esféricas integrales son herramientas muy estables que
pueden ser utilizadas tanto en operaciones de desbaste como en semiacabado o acabado,
mientras que las esféricas de plaquitas no son tan utilizadas en operaciones de desbaste en
materiales de gran dureza (si lo son para el resto de materiales) como lo son en operaciones
de desbaste y acabado.
Fig.1.- Herramienta integral
esférica de 2 labios
Fig. 2.- Herramienta integral
plana de 4 labios. Observar
los ángulos vivos,
característica definitoria de
las herramientas planas
contra las toroidales
Fig. 3.- Herramienta toroidal
de 6 labios. Observar que la
herramienta no tiene ángulos
vivos, sino que los tiene
suavizados por radios
Las herramientas planas (figura 2) no son muy aconsejables para este tipo de mecanizado,
ya sean integrales o de plaquitas, especialmente si el material a mecanizar es de mala
maquinabilidad o muy duro. Se entiende como una herramienta plana una herramienta con
radio 0, o sea con arista totalmente viva. Esta arista padece mucho y acostumbra a romperse
enseguida, aunque el resto de corte de la herramienta se conserve casi perfectamente. Es
preferible entonces la utilización de herramientas toroidales con cierto radio inferior. Pero
en muchas aplicaciones esta sustitución no es posible, ya que interesa conseguir
precisamente eso: una arista viva en una cavidad.
Pero se comprende que una arista completamente viva en el interior de una cavidad sea
imposible de conseguir por mecanizado por arranque de viruta, pues siempre se producirá
una ruptura de la herramienta por pequeña que ésta sea. Las herramientas planas permitirán
conseguir una arista de radio más pequeño que una herramienta toroidal, pero hay que tener
cuidado con las condiciones de corte seleccionadas para esta herramienta, con el fin de
minimizar las roturas.
Fig.4.- Herramienta integral
de geometría y corte
especiales para el mecanizado
de ranuras profundas
Fig. 5.- Herramientas esféricas de una sola plaquita
Las herramientas toroidales (figuras 3 y 6) son más adecuadas que las herramientas
planas, como ya se ha comentado. Las herramientas toroidales de plaquitas son los tan
profusamente llamados platos de plaquitas (ver figuras 7, 8, 9). Efectivamente, estas
herramientas son las más empleadas para la realización de grandes desbastes siempre que el
diámetro de la herramienta sea adecuado para el tamaño de la pieza a mecanizar. Para
operaciones de planeado son casi indispensables.
Hay que destacar que, aunque se puedan utilizar platos de plaquitas de diámetro bastante
grande, éste no suele serlo tanto como el de grandes platos de plaquitas (diámetros >
150mm) que se utilizan en el mecanizado tradicional. Recordar que la propia concepción de
estos tipos de mecanizado no lo contempla. Así pues, es habitual trabajar con platos de
diámetros 30 hasta 80, pero con menos carga de herramienta que en el mecanizado
tradicional y con más velocidad.
Fig 6.- Herramienta toroidal de una
sola plaquita
Fig. 7.- Plato de plaquitas de gran longitud para el
mecanizado de zonas profundas en piezas de gran
tamaño
Fig. 8.- Plato de plaquitas esféricas
para desbaste
Fig. 9.- La misma idea que el anterior pero diferente
fabricante y composición de las plaquitas
Las herramientas toroidales integrales son también muy empleadas, pero se prefieren las de
diámetro bastante menor, principalmente por razones económicas. Se utilizan más en
operaciones finales, como en el caso de las integrales de bola, cada vez son más usuales en
operaciones de desbaste en aceros endurecidos donde es difícil utilizar una herramienta de
plaquitas debido a las dimensiones de la pieza.
Huelga decir que hay que hacer las mismas consideraciones para las plaquitas que las que
ya se han hecho para las herramientas planas. La forma de las plaquitas puede ser circular,
hexagonal, romboidal o rectangular. Las más adecuadas acostumbran a ser las circulares,
pues no tienen ángulos vivos que padezcan más que otras partes del perfil las fuerzas de
corte y, por tanto, sean más propensas a la ruptura. En caso de utilizar los demás tipos es
preferible hacerlo con plaquitas que tengan cierto radio en estos ángulos, con vistas a
suavizar el corte. De todas maneras, como también ya se ha comentado , esta exigencia
depende del material a mecanizar y es usual trabajar con plaquitas de formas no circulares
en materiales como el aluminio, el cobre o el grafito.
Las brocas siguen la misma tónica de las herramientas anteriormente descritas respecto a la
división entre integrales y plaquitas. Se están fabricando brocas de última generación,
especialmente de constitución integral, que soportan avances de taladrado y velocidades de
corte especialmente elevadas en todo tipo de materiales. De esta forma se consigue un
ahorro de tiempo muy considerable en actividades de producción de piezas de aluminio y
hasta en taladrado de aceros de alta dureza. También se están diseñando geometrías
autocentrantes que no requieren de un punteado previo ni siquiera cuando la superficie a
taladrar no es perpendicular a la broca.
Las herramientas de mandrinado no aportan soluciones especialmente novedosas. La
novedad la aportan los nuevos materiales de que están hechos los perfiles de corte, pero en
la forma no hay variaciones importantes respecto a las herramientas tradicionales.
La longitud de la herramienta
Un hecho determinante que provoca inestabilidad y problemas de vibraciones durante el
mecanizado es la longitud de la herramienta empleada. Es lógico pensar que no se
comportará de igual manera una herramienta de diámetro D y en longitud L que otra de un
mismo diámetro pero con una longitud LL mucho más grande.
Esta claro que la herramienta más larga tiene más posibilidades de sufrir flexiones en las
mismas condiciones de corte que la corta, flexiones que son orígenes de vibraciones que a
su vez son causa de desgastes prematuros, roturas progresivas y mala calidad en la
superficie mecanizada.
Se calcula que las herramientas con relaciones longitud-diámetro L/D > 5 se empiezan a
encontrar problemas especialmente si el material a cortar es exigente. A partir de estos
valores se ha de empezar a tener más cuidado con la herramienta y es preciso suavizar las
condiciones de corte si se desea una respuesta correcta.
Fig.10.- Gráfico orientativo que informa sobre la condición de corte de una herramienta empleada en el mecanizado de aceros duros
Color verde : zona segura de trabajo
Color amarillo : zona peligrosa, hay que reducir las condiciones de corte de la herramienta si se desea su vida provechosa
Color rojo : zona de trabajo no recomendable aunque se reducen mucho las condiciones de corte
Fig. 11.- Ejemplo de una herramienta sobrealargada para el mecanizado de zonas con
cierta profundidad
MATERIAL
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 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. Dreza 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.
RECUBRIMIENTO
Las nuevas generaciones de recubrimientos se distinguen por un número de cualidades
esenciales: su dureza les protege contra el desgaste abrasivo, su naturaleza cerámica les
protege contra la soldadura en frío, su bajo coeficiente de fricción permite mejorar el flujo
de la viruta y por lo tanto la eliminación del calor, y su gran estabilidad química les protege
del desgaste por difusión.
Estos recubrimientos acostumbran a tener un grano fino de menos de una micra de
diámetro. Los más utilizados son: el nitrato de titanio (TiN), nitrato de carbono-titanio
(TiCN) y el nitrato de aluminio-titanio (TiAIN). El espesor típico suele ser de 2 a 12 µm, y
a menudo se utilizan recubrimientos del tipo multicapa.
El recubrimiento se aplica por deposición física gaseosa PVD o por deposición química
CVD . La ventaja del PVD radica en la baja temperatura del proceso: 500 ° C como
máximo. El CVD exige temperaturas mayores de 800 ° C, y el metal duro de la zona de
corte se vuelve frágil. El método PVD es él más adecuado para mantener las aristas de corte
en condiciones de agudez y estabilidad de los cortes.
De entre todos los recubrimientos disponibles, sin ninguna duda, el que ofrece más
posibilidades en su utilización es el TiAIN. Es capaz de soportar temperaturas de trabajo
mayores sin perder sus propiedades ni sufrir un desgaste prematuro en comparación con los
demás recubrimientos. El inconveniente es que es más caro, aunque en ciertas aplicaciones
es el más rentable.
Las propiedades del TiAIN son las siguientes:
Su alta resistencia a la oxidación permite trabajar a mayores temperaturas.
Su menor conductividad térmica protege los cortes y aumenta la eliminación del
calor vía viruta.
Su mayor dureza en caliente ofrece mejor protección contra el desgaste.
Su mejorada resistencia química reduce el desgaste por cráter.
Las temperaturas que puede alcanzar la herramienta son del orden de 600-800° C. El patrón
de oxidación de este recubrimiento asegura una protección del sustrato más allá de la
temperatura de oxidación. Aunque este punto de oxidación sea elevado, es siempre
superado por la temperatura de trabajo. Así pues, es importante disponer de una
temperatura de oxidación elevada, pero también lo es disponer de un buen patrón de
oxidación. Algunos recubrimientos de TiAIN tienen patrones de oxidación capaces de
proteger el sustrato.
La mayor proporción de AI que de Ti en el recubrimiento provoca que, durante la
oxidación, se creen óxidos de aluminio que se adhieren a la capa exterior del recubrimiento
protegiéndolo durante más tiempo. Si la concentración dominante es la de Ti, los óxidos de
titanio no se adhieren al recubrimiento sino que se disipan, provocando una continua
pérdida de Ti que conduce a un desgaste prematuro de la herramienta.
Fig. 12.- Dos ejemplos de fresa con ánima de carburo de tungsteno y recubrimiento de
TiAIN
El patrón de desgaste en las herramientas de metal duro recubiertas de TiAIN revela 4
zonas bien diferenciadas (ver figura13). En la zona 1, el sustrato ha quedado al descubierto.
En la zona 2 todavía se puede encontrar recubrimiento, pero ha sufrido un pequeño
desgaste. En la zona 3 se observan incrustaciones soldadas del material mecanizado. En la
zona 4 se puede encontrar el recubrimiento intacto.
Fig.13.- Patrón de desgaste del
recubrimiento TiAlN
Fig. 14.- Plaquitas rotas por una mala selección de
los parámetros de corte
Se puede advertir cómo la concentración de AI en la zona desgastada tiene tendencia a
aumentar a medida que nos desplazamos hacia la zona donde el sustrato queda al
descubierto, mientras que la de Ti se mantiene constante. Esto se debe a la formación de los
óxidos de aluminio anteriormente descritos, que no se disipan con el aire sino que se fijan
en la superficie del recubrimiento protegiéndolo así contra el desgaste.
El PCBN
El nitrato de boro policristalino (PCBN) es posiblemente el material más novedoso en el
campo de la fabricación de las herramientas de corte. Las fresas de espiga con cabezales
PCBN soldados a ejes HSS o de carburo de tungsteno están cada vez más disponibles en el
mercado.
Se trata de un material extremadamente duro capaz de mantener sus propiedades físico-
químicas a muy elevadas temperaturas, hasta más de 1000° C.
El éxito de trabajar con CBN está en el mecanismo de mecanizado en caliente, por medio
del cual el pegado de la pieza en la zona de corte es el resultado de la temperatura generada
por las altas velocidades de corte. A velocidades lentas el PCBN no es efectivo, ya que el
material de la pieza continua estando duro y hay problemas de desgaste o roturas de los
cortes.
Las herramientas de CBN no son realmente aconsejables debido a su fragilidad, y sólo es
conveniente su utilización cuando se trabajan aceros extra-duros imposibles de ser
trabajados con otros tipos de herramientas, incluyendo el recubrimiento TiAIN.
Su uso requiere mucha rigidez en la máquina para evitar la rotura de la herramienta debido
a la fragilidad del material. Además, con herramientas de diámetro muy pequeño obliga a
trabajar a muy altas revoluciones si se desea mantener una velocidad de corte elevada y
adecuada (800-1200 m/m). Estas altísimas revoluciones exigen altísimos avances de trabajo
difícilmente alcanzables por las máquinas actuales.
Existen distintos tipos de microestructuras policristalinas que determinan diferentes
comportamientos. De entre todas ellas hay que seleccionar la que ofrezca el
comportamiento más adecuado para la aplicación a realizar.
El diamante
Las herramientas del diamante policristalino PCD se utilizan a menudo en el mecanizado
de alta velocidad en materiales no metálicos, sobre todo para grafito, pero no sirven para el
mecanizado de acero, no sólo porque el diamante reacciona con el hierro, sino también
porque se convierte en grafito a más de 750°C.
4. PORTAHERRAMIENTAS PARA MAV
Los portaherramientas juegan un papel fundamental porque han de garantizar unas
condiciones de no excentricidad y rigidez en la sujeción más exigentes que en la
mecanizado tradicional.
De nada sirve tener mucho cuidado en la selección y en la determinación de las condiciones
de corte de la herramienta, emplear mucho tiempo en la elaboración de programas y tener
una máquina de calidad si no se puede garantizar que la herramienta esté suficientemente
sujeta, que no gira excesivamente excéntrica y no padece vibraciones producidas por el
elemento que la soporta.
Tipos de portaherramientas
Actualmente hay tres tipos principales de portaherramientas en el mercado: los
portaherramientas de pinzas, los de enclavamiento hidráulico y los de enclavamiento
térmico. Se hará una descripción a continuación de estos tipos pero nada más se hará
referencia a interfaces y tamaños estándares , por ejemplo: HSK 63-100 o BT 40-100. La
gran variedad de tamaños hace muy extensa la variedad de tipos y novedades en el
mercado.
Portaherramientas de pinzas
Son los más empleados principalmente por que no son nada más que una mejora de los
portapinzas que se han utilizado durante mucho tiempo en los talleres de mecanizado, y los
profesionales están acostumbrados.
Tienen además la gran ventaja de que son el sistema más flexible ya que el mismo
portaherramientas puede montar herramientas de diferente diámetro si se cambia la pinza
de enclavamiento.
Se han desarrollado unidades específicas que consiguen grandes fuerzas de enclavamiento
pero generalmente con la desventaja de ofrecer saltos mejores de 10 µm y con una gran
masa, cosa que dificulta su trabajo a elevadas revoluciones. Estos portaherramientas (figura
16) son muy adecuados para desbastes con herramientas de diámetros mayores de 10 mm.
Pero se pueden encontrar también en el mercado portapinzas de menor fuerza de
enclavamiento, pero que ofrecen saltos de hasta 3 µm y que pueden girar a más de 30.000
rpm sin ningún tipo de problema, muy adecuados entonces para trabajos de acabado (figura
15). Un inconveniente de este sistema acostumbra a ser el precio de coste de cada unidad.
Fig. 15.- Portapinzas con grado de calidad 2.5G
y salto del orden de 3 µm
Fig. 16.- Portapinzas de gran fuerza de
enclavamiento
Portapinzas hidráulicos
No son un sistema muy utilizado porque no aportan ninguna ventaja específica. Su fuerza
de enclavamiento no és muy alta ya que el salto mínimo que ofrecen está en el orden de les
5 µm. Además, no es un sistema flexible ya que cada unidad solamente puede montar un
cierto diámetro de herramienta.
Portaherramientas térmicos
No es un sistema muy utilizado actualmente, por una cuestión de cultura y tradición, y no
por falta de prestaciones.
El sistema se basa en la dilatación que padece el portaherramientas cuando se somete a
altas temperaturas (300°C, 400°C o más, dependiendo del sistema y marca). Se aprovecha
esta dilatación para introducir la herramienta en la cavidad de enclavamiento y, en enfriar el
sistema, esta queda sujetada por la recuperación de la dimensión normal del
portaherramientas.
Fig. 17.- Portaherramientas térmico de un solo
cuerpo
Fig. 18.- Oto ejemplo de porta
herramientas térmico de un solo cuerpo
Estos portaherramientas presentan una fuerza de enclavamiento muy elevada y son los que
tienen un mejor comportamiento en referencia al salto: alrededor de 2 o 3 µm. El problema
de éste sistema es su falta de flexibilidad, ya que cada elemento solo puede anclar un
determinado diámetro de herramienta.
Se han desarrollado sistemas híbridos modulares (figuras 19, 20 y 21) donde el
portaherramientas se divide en dos cuerpos: el cuerpo central y la pinza térmica. La pinza
ha de ser de diámetro fijo, pero su enclavamiento al cuerpo central permite la fijación de
herramientas de diferentes diámetros en este cuerpo central (que generalmente es la parte
más cara del producto). El precio de la unidad acostumbra a ser bastante inferior al
portaherramientas de pinzas, pero se ha de disponer de una máquina apropiada para el
calentamiento y enfriamiento del portaherramientas, lo que encarece bastante el producto
(figura 22).
Fig. 19.- Portapinzas térmicos modulares Fig. 20.- Detalle de enclavamiento
Fig. 21.- Pinzas térmicas para sistemas modulares
Fig. 22.- Diferentes máquinas de calentamiento
y enfriamiento por enclavamiento térmico
5. CONOS PORTAHERRAMIENTAS PARA MAV
El montaje de las fresas en los centros de mecanizado es (otro más) un factor de suma
importancia a la hora de obtener piezas con la suficiente precisión dimensional y calidad
superficial. Esta sujeción debe cumplir por otra parte una serie de requisitos, tales como:
Montaje y desmontaje de la herramienta en la máquina debe ser sencillo
Permitir el cambio automático de éstas
Ajuste preciso con el husillo de la máquina
Permitir un perfecto alineamiento del eje de la herramienta con el eje del husillo
No introducir pérdidas de rendimiento ni rigidez en el sistema
otras
De aquí se puede deducir que un buen sistema portaherramienta no va a mejorar el
comportamiento de una herramienta mal elegida o de un husillo dañado. Sin embargo, un
mal sistema portaherramienta si puede reducir la vida de la herramienta y del husillo.
El papel de los conos en el MAV no es distinto al que poseen en el mecanizado
convencional. Sin embargo, el gran incremento de velocidad del husillo (desde 6.000 rpm
en convencional hasta 40.000 en MAV) ha obligado a replantearse aspectos como la unión
del cono con el husillo o el equilibrado de los conos. Esto es debido a que la fuerza
centrífuga depende del cuadrado de la velocidad, por lo que esta fuerza crece de manera
dramática en el MAV.
CONOS ISO - HSK
Los conos porta herramientas tipo ISO establecen su posición cuando un actuador
(hidráulico o neumático) tira de él produciéndose un asiento del cono dentro de otro cono
tallado en el eje del husillo. Si la velocidad de giro aumenta, la fuerza centrífuga también,
provocando la expansión del eje del husillo. Cuando esto sucede, los conos ISO, tienden a
introducirse más dentro del husillo debido a que el actuador sigue tirando de él. Esto puede
desencadenar 2 problemas:
Imprecisión en el mecanizado, debido al desplazamiento que ha sufrido la
herramienta respecto al husillo.
Atoramiento del cono en el caso de que el husillo frene de forma brusca y recupere
sus dimensiones.
Estas circunstancias hacen que los conos más extendidos en las máquinas de alta velocidad
sean los HSK.
Cono ISO Cono HSK
Las principales ventajas que ofrecen los conos HSK se deben fundamentalmente a dos
factores.
Por un lado, el sistema de amarre se realiza mediante unas garras o mordazas que se ajustan
en un hueco tallado dentro del cono en forma de copa. A medida que la velocidad de giro
aumenta se garantiza el contacto en todo momento, ya que la fuerza centrífuga expande las
mordazas que sujetan el cono contra el eje del husillo. Esta circunstancia permite unas
condiciones de corte más agresivas, además de aportar mayor rigidez y precisión que los
sistemas basados en conos ISO.
Por otro lado, en la unión del cono y el husillo, existe un doble contacto entre las
superficies del cono y el alojamiento del eje. El doble contacto ofrece mayor repetitibilidad
a la hora de volver a colocar el cono. Además se evita que el conjunto cono-herramienta se
introduzca dentro del husillo, cosa que sucedía en el caso de conos ISO con altas
velocidades
HSK ISO
Posición amarrada
Posición de cambio de herramienta
Sección del sistema de amarre del conoPosiciones amarrada y suelta del cono
Las máquinas que utilizan conos ISO son más propensas al chatter que las que utilizan
HSK, debido a que la unión entre cono y husillo no es tan rígida. La menor rigidez de esta
unión hace caer la frecuencia natural de vibración más baja y obliga a limitar los
parámetros de mecanizado, debiendo ser éstos menos agresivos.
Existen muchos tipos de conos HSK. Éstos se clasifican con 2 ó 3 cifras y una letra, por
ejemplo HSK-63A (el más común). Las cifras dan el diámetro exterior del plato que asienta
sobre la cara del husillo. La letra indica el tipo de cono en función de diversos factores
como longitud, etc. En general, esta letra es:
A: Tipo general
B: Tiene un plato mayor que el A. Se utiliza para trabajos más agresivos.
E y F: Iguales que A y B pero eliminando marcas y sistemas de guiado que afectan
al equilibrado
Una de las principal desventaja de los conos HSK, es su sensibilidad a la presencia de
partículas como viruta o lubricante. Si no se han limpiado correctamente las superficies de
contacto en la operación de cambio de herramienta podrían quedar virutas en el husillo que
impiden el correcto asiento del cono. También es posible que se llene de impurezas la
cavidad del cono donde deben entrar las mordazas para su amarre. Esta sensibilidad a las
impurezas obliga a extremar los cuidados en los cambios de herramienta. Una posible
solución es soplar cada cono antes de amarrarlo.
SUJECIÓN DE LA HERRAMIENTA
En general se busca una unión que cumpla los siguientes requisitos:
Precisión, para minimizar la desalineación de la herramienta con el eje del husillo
(minimizar el runout)
Buscar la máxima rigidez a la unión
Simetría del conjunto para evitar desequilibrio
Existen diversos métodos de sujeción de herramientas al cono, pero los más comunes son la
sujeción mecánica mediante pinza, cono hidráulico y zunchado térmico.
Sujeción mecánica mediante pinza
Es el método más utilizado. Se basa en introducir la herramienta en una pinza y ésta en el
cono. Tras esta operación, se aprieta una tuerca que empuja los segmentos de la pinza
contra la herramienta, ejerciendo presión sobre la misma. Las pinzas están divididas en
segmentos para que distribuyan la presión sobre toda la superficie de la herramienta de
forma uniforme, además de facilitar su deformación.
Cono de sujeción mecánica
Este sistema es válido para la gran mayoría de las aplicaciones del MAV, además de
resultar económico. Otra ventaja de este sistema es que se pueden tener distintas pinzas
para un solo cono, pudiendo montar herramientas de diferentes diámetros en un solo cono.
En cuanto a precisión, una pinza de alta calidad puede dar una desalineación de 7- 8 mm a
25 mm desde el plano de la cara del cono. Estos resultados se consiguen con conos y pinzas
de muy alta calidad, donde el ajuste se realiza de forma manual.
Para algunas operaciones, las pinzas de sujeción mecánica no son lo suficientemente rígidas
o precisas. En estos casos se deben utilizar los conos hidráulicos o de zunchado térmico.
Ambas técnicas aportan mayor rigidez y precisión que la sujeción mecánica.
Conos hidráulicos
Los conos hidráulicos amarran la herramienta mediante un sistema hidráulico. Rodeando al
orificio por donde se introduce la herramienta hay una membrana metálica. Adyacente a
ésta se encuentra un depósito de fluido (en la parte interior del cono). Mediante el
accionamiento de un tornillo, éste mueve un émbolo que aumenta la presión del fluido
hasta valores muy elevados. Esta presión es ejercida contra la membrana que sujeta la
herramienta firmemente.
Sección de cono hidráulico
Debido a que todo el sistema hidráulico está aislado del exterior, las impurezas como la
grasa, viruta, etc. no pueden dañar el sistema de amare.
Los conos de sujeción hidráulica minimizan la desalineación (runout) de la herramienta
respecto al cono. Según algunas marcas comerciales, se puede llegar a valores por debajo
de los 2.7 mm medidos a una distancia de 2.5xhta desde el final del cono.
Además de precisión y rigidez, los conos hidráulicos son capaces de soportar fuerzas de
corte elevadas (tanto laterales como de torsión).
Como gran desventaja que plantean los conos hidráulicos se puede achacar por un lado su
elevado coste, hasta 5 veces más que uno convencional y, por otro, que sólo se pueden
utilizar herramientas de un solo diámetro con cada cono. Algunos fabricantes resuelven este
último problema permitiendo introducir unas membranas adicionales entre la original y la
herramienta, ofreciendo así diferentes diámetros en un solo cono. Estos fabricantes
aseguran que cada membrana puede introducir una desalineación adicional de 1mm
aproximadamente.
Por lo general, este tipo de conos se utilizan en operaciones de acabado y en el mecanizado
de moldes en materiales duros.
Zunchado térmico
Son una alternativa a los hidráulicos. A diferencia de estos últimos, no disponen de ningún
sistema interno que ejerza presión para sujetar la herramienta. En vez de esto, el cono es
macizo con un taladro de precisión donde encaja la herramienta.
A temperatura ambiente, el agujero es ligeramente menor que el diámetro de la
herramienta. Utilizando un calentador por inducción, se calienta el cono y el orificio para la
herramienta se dilata. Una vez dilatado suficientemente, se introduce la herramienta y se
deja enfriar hasta temperatura ambiente. Al enfriarse el cono recupera sus dimensiones
sujetando fuertemente la herramienta. Este método sujeta la herramienta al cono con una
excelente rigidez y una desalineación (runout) muy baja, al igual que en los conos
hidráulicos. Además, debido a que no son necesarios elementos como tornillos, etc. para
sujetar la herramienta, pueden ser perfectamente simétricos, lo cual resulta en
desequilibrios muy bajos.
Equipo calentador por inducción Conos de zunchado térmico
Los conos empleados para el zunchado térmico son mucho más sencillos que los
hidráulicos y menos costosos. Sin embargo es necesario adquirir el calentador por
inducción como equipo adicional.
6. REFRIGERACION EN MAV
Cada vez más se está intentando mecanizar sin refrigerante, por razones medioambientales
y económicas. El tratamiento de los refrigerantes líquidos después de su utilización es muy
costoso y problemático. Así, se están ensayando nuevas estrategias de mecanizado
orientadas a trabajar sin refrigerantes líquidos, o a reducirlos.
Sin embargo hay aplicaciones donde, por el momento, esta supresión, y ni siquiera
reducción, es posible, como en el caso del mecanizado de aluminio.
Recordemos que la misión del refrigerante es refrigerar térmicamente la zona de trabajo,
pero también lubricar y ayudar a la expulsión de la viruta de esta zona
En materiales pastosos tales como el aluminio o el cobre es imprescindible el uso de
taladrina (refrigerante líquido que en base agua) en abundancia, pues ello ayuda al arranque
y a la expulsión de la viruta en la totalidad de las operaciones de mecanizado: desbaste,
semiacabado y acabado. Esta consideración se puede hacer hasta en el caso de aceros de
baja dureza.
Sin embargo, en el caso de aceros de alta dureza las temperaturas de trabajo son demasiado
elevadas, y la taladrina provoca un choque térmico que es perjudicial para la herramienta ya
que es difícil que esta taladrina se reparta uniformemente por el corte de la herramienta y lo
refrigere por igual. Esto es especialmente importante en las operaciones de desbaste.
Normalmente, para operaciones de acabado la utilización de refrigerante líquido asegura
una mejor calidad superficial, especialmente si la máquina dispone de sistemas para
estabilizar la temperatura. Es habitual entonces utilizar refrigerante líquido en operaciones
de acabado incluso en materiales muy duros.
Opcionalmente se puede emplear aceite como refrigerante (ya sea en estado líquido o en
forma pulverizada) porque proporciona mejores resultados en la calidad superficial de la
pieza para aceros en general, cobre y grafito. El problema del aceite es su potencialidad a la
inflamación, especialmente cuando las temperaturas de trabajo son tan elevadas. Por este
motivo no es el refrigerante más empleado en los talleres de mecanizado. De todas formas
es muy adecuado para el mecanizado de electrodos de cobre y grafito, debido a que les
temperaturas de trabajo no son tan elevadas, reduciéndose así el riesgo.
Pero el sistema de refrigeración que se está imponiendo en el mecanizado de los aceros es
el de utilizar solamente aire a presión dirigido al corte. Las propiedades refrigerantes del
aire a presión no son tan buenas como las de los refrigerantes líquidos, pero es sin duda
alguna un muy buen sistema para evacuar la viruta, al ofrecer la seguridad de llegar a toda
la superficie de corte. Además, no requiere de ningún tratamiento residual después de su
uso. Incluso se pueden encontrar actualmente sistemas donde este aire a presión es
previamente enfriado a muy baja temperatura para aumentar su poder refrigerante sobre el
corte.
Sea cual fuere el refrigerante elegido se encuentran también distintas opciones
constructivas que permiten la aplicación de éste sobre el corte de una manera más o menos
efectiva.
Las muy usuales lanzas o surtidores laterales presentan el problema de que es muy difícil su
correcta orientación, especialmente si se han de utilizar herramientas de longitud muy
diferente de manera automática. Además, no garantizan una distribución homogénea de la
refrigeración.
La solución constructiva más adecuada es la utilización de la refrigeración a través del
cabezal. Ésta puede ser directamente a través de la herramienta (existen herramientas que
disponen de canales interiores de flujo del refrigerante que orientan a este directamente a la
zona de corte) (figura 23) o a través del portaherramientas (figura 24). La primera es la
mejor, pero presenta el gran problema de que estos tipos de herramientas tienen un precio
mucho más elevado que las normales. En la segunda opción, la más empleada, las
herramientas son estándar y los portaherramientas por esta tecnología ya están
normalmente preparados para estos tipos de refrigeración.
Fig.23.- Esquema de la refrigeración a través del interior de la herramienta
Fig. 24 Refrigeracion interna
Fig. 25 Refrigeracion Externa e Interna
7. ELECTROMANDRINOS PARA MAV
Los usuarios de máquinas herramienta demandan una nueva generación de cabezales de
mayor potencia y vida de servicio adecuados para procesos de mecanizado a mayores
velocidades de corte. Los cabezales de alta velocidad son los componentes más críticos a la
hora de implementar el mecanizado a alta velocidad. Ante estas demandas emerge la
solución de los husillos con accionamiento de motor integrado, conocidos comúnmente
como electromandrinos, que se presentan como la mejor alternativa por la multitud de
ventajas que ofrecen: Ausencia de motor exterior y de elementos intermedios de
transmisión, bajas inercias, menor peso y un diseño compacto fácilmente integrable en la
máquina herramienta.
Si se quiere ofertar una gama de electromandrinos que satisfaga plenamente los
requerimientos provenientes de los sectores demandantes de estos componentes, resulta
imprescindible conocer con detalle las necesidades de par, potencia, velocidad y precisión
de los usuarios finales. Estas elevadas exigencias de calidad y precisión exigen un detallado
análisis del comportamiento térmico y dinámico que ha sido posible gracias a la
colaboración de Fatronik. Este análisis ha sido completado mediante una validación
experimental en un banco de pruebas específico para electromandrinos en el que se han
podido contrastar experimentalmente todas las hipótesis planteadas en las fases de diseño y
cálculo.
Ante esta creciente demanda de electromandrinos, el centro tecnológico Fatronik y la
empresa Goialde HS, han emprendido el desarrollo de electromandrinos de altas
prestaciones para los diversos usuarios demandantes de dichos productos.
Demandas de los usuarios de electromandrinos
oialde HS, en estrecha colaboración con Fatronik, está desarrollando electromandrinos que,
por una parte, sirvan para las necesidades de distintos sectores (molde, automoción...), pero
que a su vez sean versátiles y sirvan para distintos procesos de mecanizado. Goialde HS ha
realizado un estudio de mercado que ha permitido conocer las necesidades de los
principales sectores potenciales usuarios de los electromandrinos de altas prestaciones:
molde y matriz, automoción y aeronáutica.
Tabla 1. Requerimientos de los usuarios por sectores
Tras haberse realizado una extensa encuesta entre fabricantes de máquinas herramienta,
asociaciones de usuarios de máquinas y los propios usuarios de máquinas, se ha realizado
un análisis de los datos que ha desembocado en los resultados que aparecen en la Tabla 1.
Electromandrinos de Goialde HS
En la Tabla 2 pueden verse dos ejemplos de electromandrinos de Goialde HS, así como su
campo de aplicación.
Tabla 2. Características de dos electromandrinos
9. MOTORES LINEALES PARA MAV
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.
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.
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 mas 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 – 20 ms
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.
Módulo de mecanizado basado en motores lineales desarrollado en Ideko, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10 m/s2.
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.
10. CONTROLES NUMERICOS PARA MAV
La alta velocidad es un novedoso método de mecanizado que trata de obtener importantes
reducciones de tiempo junto con mejores acabados superficiales de manera eficaz. La
posibilidad de aplicar esta técnica involucra a diversas áreas tecnológicas, siendo una de
ellas la relacionada con el control de las máquinas. A la hora de construir o adquirir
máquinas herramienta para labores de mecanizado de alta velocidad, es conveniente tener
claros una serie de aspectos que afectan a su operación, tales como la mecánica, los
accionamientos, o los CNCs que las gobiernan. Los controles numéricos para alta velocidad
han ido adaptando soluciones originales que permiten explotar a fondo las posibilidades de
esta nueva técnica. Aparecen como una apuesta fuerte para dar respuesta a las necesidades
de cierto tipo de aplicaciones, especialmente para los sectores aeronáutico, automoción y
fabricación de moldes y troqueles.
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.
Cuando se desarrollaron los sistemas de control numérico (CNC – Computerized
Numerical Control) la idea consistía en preplanificar cada movimiento que el operario
realizase, para posteriormente ejecutarlos secuencialmente de manera rápida, evitando las
imprecisiones que se cometen en cualquier proceso manual. El desarrollo continuó
ampliando el movimiento punto a punto a interpolaciones circulares y helicoidales, y
agregando multitud de funcionalidades adjuntas.
El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el interprete del programa, el cual
descifra el programa escrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por el
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.
La forma más habitual de especificar las trayectorias que debe seguir la herramienta en una
operación de mecanizado esta basada en la generación de una sucesión de puntos entre los
cuales se realizan interpolaciones lineales. El CAD (Computer Aided Design) permite
realizar el diseño de la pieza a mecanizar como una concatenación de elementos
geométricos simples, mientras que el CAM (Computer Aided Machining) define, a partir de
la información CAD, la trayectoria a seguir por la herramienta para realizar el mecanizado
de la pieza, siendo aquí donde se realiza la traslación de la trayectoria a puntos discretos. La
serie de puntos es posteriormente cargada en el control numérico, que los ejecuta de forma
ordenada.
Evidentemente, la aproximación de una trayectoria curva mediante una serie de tramos
rectos entre los puntos especificados por el CAM supone una pérdida de precisión. En el
caso de trayectorias con pequeño radio de curvatura, el número de puntos especificado
sobre la curva, esto es, la densidad de puntos, deberá ser mayor que en el caso de
trayectorias casi rectas. Sólo así se podrá mantener un grado de precisión constante a lo
largo de toda la trayectoria.
De forma equivalente, un aumento en los requerimientos de precisión a lo largo de toda la
superficie mecanizada obliga a especificar un mayor numero de puntos en la definición de
la trayectorias.
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.
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.
Tiempo ciclo servo tcs(ms)
Ciclos/s.1/ tcs
Dist. ciclo paraf = 3 m/min(mm)
Dist. ciclo paraf = 10 m/min(mm)
Dist. ciclo paraf = 30 m/min(mm)
20 50 1 3,33 10
10 100 0,5 1,66 5
3 333 0,15 0,5 1,5
1 1000 0,05 0,16 0,5
0,4 2500 0,02 0,06 0,2
0,1 10000 0,005 0,016 0,05
La tabla muestra claramente la importancia que tiene el disponer de tiempos de ciclo de
servo rápidos para trabajar con rapidez y precisión. A mayor velocidad de avance se exige
mayor velocidad de ciclo del servo.
Tiempo de proceso de bloque
El tiempo de proceso de bloque (block cicle time) 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.
Idealmente, la velocidad de ciclo del servo debe de ser mayor que la de proceso de bloque,
para que se pueda ejecutar el movimiento especificado en el bloque. En el límite, y según
como esté construido el CNC, el tiempo de proceso de bloque podría incluir un único ciclo
de servo, lo que causa a veces confusión al utilizar los diferentes términos.
Fig. 26 Error cordal
Existe una correlación entre la capacidad de aceleración de la máquina y el tiempo de
proceso de bloque, manteniendo una precisión determinada. La Fig. 26 muestra la
ejecución de una trayectoria circular aproximada como una serie de tramos rectos, tal y
como hacen la mayoría de los paquetes de CAM. El recorrido de cada uno de estos
segmentos se ejecuta como muy rápido en un tiempo igual al de proceso de bloque T.
Cuanto más corto sea el segmento (menor T), menor será el error cometido, pero hará falta
un mayor número de segmentos para completar el recorrido. Si se define la precisión con la
que se quiere trabajar, se puede determinar el tiempo de proceso de bloque T necesario.
Por tanto, 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. No es necesario elegir un CNC demasiado
rápido si el sistema no es capaz de desarrollar grandes aceleraciones.
Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales
El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, en lugar del tradicional
interface analógico, permite al CNC 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:
· 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, muy útiles a la hora de realizar óptimas sintonías.
· Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales como la
implementación de filtros digitales para evitar el trabajo en frecuencias conflictivas.
Look-Ahead
Quizás una de las prestaciones más importantes 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 un ajuste continuo de la velocidad mirando el programa por
adelantado.
La manera en la que la inmensa mayoría de los paquetes de CAM construyen el programa
de mecanizado que debe de ejecutar el CNC es convertir cualquier trayectoria compleja en
una sucesión de puntos entre los cuales el CNC realiza una interpolación lineal. Como
parámetro, hay que especificar al paquete de CAM la desviación cordal máxima que se
puede permitir.
La función Look-Ahead analiza varios bloques del programa a ejecutar por adelantado,
buscando cambios abruptos en la trayectoria de la herramienta. Cuando encuentra un
cambio en la trayectoria, ajusta el valor del avance, dando a los servos el tiempo suficiente
para acelerar o decelerar para mantener la trayectoria. Esto permite ejecutar el movimiento
en rectas o curvas generosas al máximo valor de avance solicitado, y éste solo se reduce
cuando la curvatura de la trayectoria así lo exige. Sin el look-ahead, habría que programar
el avance para el peor de los casos.
Fig. 29 El Look-Ahead adapta la velocidad en función del perfil a mecanizar.
Control de aceleraciones
Tradicionalmente, cuando los CNCs generan las trayectorias, se solicitan movimientos en
los cuales la aceleración es constante hasta que se alcance la velocidad establecida (rampa
de velocidad). Al trabajar de este modo normalmente no se tiene en cuenta el valor de la
derivada de aceleración (jerk). El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes
cargas para la mecánica de la máquina herramienta y provoca vibraciones en los ejes.
Muchos 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.
En estrecha relación con la prestación look-ahead, se logran todavía mejores resultados
suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curva trapezoidal por una curva en
forma de campana, por ejemplo una función sen2.
Fig. 30 Las imágenes muestran la evolución de la velocidad, aceleración y jerk para el caso
de aceleración constante (limite jerk) y control avanzado.
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.
Capacidad de almacenamiento. Ethernet.
Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de
piezas en 3D, ocupan varios megabytes de memoria debido a la necesidad de mantener el
error cordal a un valor bajo. Estos programas pueden en muchos casos sobrepasar la
capacidad de almacenamiento que se dispone en los CNCs. La solución tradicional a este
problema ha sido la de incorporar un DNC (Direct Numerical Control), lo cual consiste en
equipar el CNC con una línea serie a través de la cual un ordenador va enviando los datos al
CNC, el cual los va almacenando en un buffer y los va ejecutando de manera continua.
El problema que aparece con el DNC es la baja velocidad de transmisión de datos que
permite la línea serie, típicamente 9.600 baudios. Con las prestaciones look-ahead
incorporadas a los controles de alta velocidad, esta velocidad de transmisión es muy baja y
puede ocurrir que el mecanizado se deba de detener a la espera de nuevos datos.
Las nuevas generaciones de controles permiten la instalación de tarjetas de red, típicamente
Ethernet, que permiten velocidades de transmisión de varios megabaudios (10 ó incluso
100), 1000 veces más rápido que el DNC.
Por tanto, la conexión directa del CNC a red elimina los cuellos de botella en la transmisión
de datos.
Por otro lado, los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las
cuales proporcionan discos duros con capacidades de almacenamiento de gigabytes, por lo
que el problema del espacio 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.
Interpolación polinómica. NURBS
El hecho de tener que representar trayectorias curvadas como una serie de segmentos rectos
siempre ha sido una limitación en contorneados 3D. Es intrínsecamente impreciso,
convierte en faceteado lo que debería de ser liso, crea programas monstruosamente largos,
y obliga a buscar un compromiso tolerancia-velocidad debido al elevado número de datos
que el programa tiene que ejecutar.
Una solución a este problema es el uso de splines o plantillas, que consisten en unir los
puntos por medio de unas funciones polinómicas especiales. La experiencia muestra que un
bloque definido por un spline puede sustituir entre 5 y 10 bloques lineales sin sacrificar
precisión.
Los splines conocidos como NURBS son especialmente interesantes y se empiezan a ver
numerosas aplicaciones y productos comerciales basados en ellos.
El acrónimo NURBS significa Non-Uniform Rational B Spline. Las entidades básicas
utilizadas en sistemas de CAD de 2D consisten en segmentos, círculos y arcos, los cuales
sirven para definir formas relativamente simples. Cuando se trata de definir curvas
complejas o formas libres se utilizan varias representaciones matemáticas que permiten a
los diseñadores crear las curvas a su gusto.
Los splines o plantillas simples son los equivalentes CAD de las plantillas que los
delineantes han venido utilizando durante años. La curva esta definida por una serie
secuencial de puntos de control, conectados mediante curvas suavizadas que intersectan con
dichos puntos.
Los B-Splines son ligeramente diferentes. Están definidos por puntos finales y puntos de
control que no intersectan necesariamente con la curva, sino que actúan un poco como la
gravedad, empujando la curva en la dirección del punto.
Los Non-Uniform Rational B Splines son de nivel matemático más elevado. Rational
significa que se puede especificar el peso del empuje de cada uno de los puntos de control.
Y Non-Uniform siginifica que el vector de knot (nudos o puntos) – que indica que porción
de la curva se ve afectada por un determinado punto de control – no es necesariamente
uniforme. El resultado de todo esto es que se pueden utilizar más factores de control en la
fórmula, de manera se pueden expresar con una sola curva un número considerablemente
mayor de formas complejas.
Fig. 31.- Ejemplos de curvas NURBS. Obsérvese que de la curva del centro a la de la derecha únicamente se ha variado un punto de control
Hay varias ventajas que proporcionan los NURBS con respecto a otras representaciones.
Primero, son fórmulas basadas matemáticamente que definen la curva completa, y segundo,
como cada formula de mayor grado tiene más variables con las cuales representar la curva,
tienen la capacidad matemática de expresar exactamente cualquier forma creada con una
clase inferior. Estas son las razones que han convertido a los NURBS en los padres de todas
las definiciones de curvas y superficies en los sistemas de CAD/CAM.
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.
11. SOFTWARE CAD/CAM PARA MAV
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.
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.
OPERACIONES DE ACABADO
En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas trayectorias por lo que el
software debe ser muy flexible.
ZIG-ZAG o Raster
Estrategia que la mayoría de paquetes de
CAD/CAM incorpora, la senda de
mecanizado se proyecta con un ángulo
programado
.
Planos en Z
La senda de mecanizado contornea la
geometría con pasos verticales constantes.
Espiral
Se proyecta la forma de una espiral sobre la
pieza
Radial
El software proyecta radios sobre la
geometría con una separación que se
introduce por el usuario
Offset
En esta estrategia se mantiene constante el
paso lateral proyectado sobre la superficie
para lo cual, realiza una reducción del
contorno sobre toda la superficie de la pieza
Mecanizado por zonas
El software debe dar la posibilidad de
dividir la pieza por zonas y así, mecanizar
cada zona con la estrategia que más
convenga
Límites
El paquete de CAD/CAM debe ser flexible
para crear límites sobre las superficies con
objeto de crear estrategias por zonas.
Bitangencias
El software debe incorporar la posibilidad
de seleccionar zonas de unión de
superficies con radios de curvatura
pequeños
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
12. APLICACIONES PARA MAV
MECANIZADO DE COMPONENTES
Por mecanizado de componentes se entiende la fabricación de piezas finales para diferentes
ámbitos industriales. De entre las múltiples aplicaciones, el estudio sólo se basará en el
campo del automóvil y en el campo de bombas y compresores como ejemplo de la industria
básica.
La única diferencia entre hablar de especificaciones automovilísticas y de la industria
básica es el volumen de producción. En la primera los volúmenes se consideran elevados (>
500.000 piezas / año) mientras que en la industria básica se habla de volúmenes medios (>
5.000 piezas / año).
La variabilidad de tamaños, materiales, volúmenes de producción, precisiones,
acabamientos superficiales, sobrantes de material, etc.. de los componentes mecanizados en
este campo es total.
Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras
En sector del automóvil cada vez son más los componentes que se fabrican en aluminio,
para reducir el peso total de los coches. Brazos de suspensión, bombas de refrigeración,
culatas, y un largo numero de piezas están ya habitualmente hechos de aluminio.
Colector
Por otro lado, en el sector de los computadores los componentes de aluminio se están
sustituyendo por componentes de aleaciones de magnesio. Estos materiales permiten
fabricar los elementos más delgados que en aluminio, con la misma rigidez. Son, por lo
tanto, adecuados para componentes donde el volumen juega un papel importante como, por
ejemplo, los chasis de ordenadores portátiles.
Chasis de ordenador
También en la industria básica se utiliza el aluminio cada vez con mayor frecuencia. Los
cuerpos de rotación de las bombas de vacío o las estaciones de repetición de telefonía
móvil, están fabricadas de este material.
Bomba de rotación o “scroll”
Componentes en producciones de alto volumen
Los componentes de aluminio en producciones de alto volumen están prefabricados con
moldes de inyección de aluminio. Tendrán normalmente espesores de mecanizado muy
pequeños (habitualmente < 2 mm) y por tanto los tiempos de mecanizado serán
relativamente bajos.
En estas piezas se utilizan a menudo herramientas de PCD (diamante poli-cristalino) para
las operaciones de fresado porque, aunque el coste es grande, la vida de la herramienta
puede llegar en algunos casos a superar la producción total del componente y por lo tanto el
coste de operación baja. Los acabados superficiales son excelentes y las velocidades de
corte pueden aumentar hasta 1500-2000 m/min. Así que estas herramientas dejan de ser un
consumible.
Las trayectorias de mecanizado para los componentes prefabricados son muy sencillas y
normalmente se programan directamente al CNC de la máquina.
El CNC necesita capacidad de seguimiento de las trayectorias a altos avances, pero los
programas a ejecutar no son densos y generalmente solo de 2D.
Los accionamientos en cambio han de tener una muy buena respuesta: las aceleraciones y
velocidades de posicionamiento han de extremarse.
El cabezal no necesita mucha potencia pero si grandes velocidades y aceleraciones. Los
cambios de herramientas son constantes y en el tiempo viruta-viruta la aceleración/
desaceleración del cabezal juega un papel muy importante. Los rodamientos pueden ser por
tanto los mínimos para equipar interfases HSK-A63 (o sea Ø interior = 55 mm),
imprescindibles en estas aplicaciones a velocidades elevadas.
Aunque no se genere mucha viruta, los sistemas de evacuación han de ser eficientes para
trabajar de forma continuada. Los controles térmicos se hacen críticos en los sistemas de
accionamientos lineales (husillos y bolas) y en el cabezal. Los sistemas de evacuación de
calor determinan la vida de estos elementos.
Componentes en producciones de volumen medio-bajo
Los componentes en producciones de volumen medio-bajo no se pueden permitir, en
principio, el coste de un molde de inyección. Así el mecanizado de la pieza parte del bloque
y genera todas las formas necesarias para la composición del componente final.
Los requerimientos de la aplicación son muy parecidos a los componentes de alto volumen.
Solo se han de destacar:
Las herramientas pueden no ser de PCD debido a su elevado coste. Como además se
han de mecanizar formas complejas la geometría de la herramienta puede ser
estándar.
Los programas, aunque cortos y en 2D, se generan a menudo en el CAM.
Especialmente El mecanizado de cajeras y contorneados complejos. En estos se han
de aplicar claros conceptos de alta velocidad para intentar mantener el esfuerzo
sobre la herramienta constantemente.
Algunas aplicaciones de la industria básica requieren tolerancias < 0,010 mm, como
por ejemplo el componente de la bomba de rotación de la figura 3. Las necesidades
de altas aceleraciones y avances quedan entonces en segundo plano. Los soportes
del husillo a bolas requieren fijo-fijo y el control térmico ha de ser mucho más
preciso en todas las fuentes de calor.
Los cabezales necesitan mucha más potencia que las aplicaciones de alto volumen
debido a la cantidad de material a desarrollar. La velocidad de rotación en cambio
puede sacrificarse dependiendo de la pieza. A menudo en estas piezas el ciclo de
mecanizado ocupa más de un 75% del tiempo al desbaste. Por lo tanto la primera
prioridad es reducirlo.
Los sistemas de evacuación de virutas han de soportar cuadales de material de hasta
5 l/min en continuo. Son por lo tanto mucho más exigentes que en las piezas de
producción de alto volumen
Se desea ahora validar las necesidades de las aplicaciones de medio-bajo volumen con el
estudio de un centro de mecanizado adecuado para estas aplicaciones.
Se trata del centro de mecanizado horizontal Makino A 55e. Este centro se ha aplicado con
gran éxito, por ejemplo, en el mecanizado de componentes rotativos de las bombas de
vacío, que necesitan productividades medias y donde las precisiones son muy exigentes.
Sus características fundamentales quedan reflejadas en la tabla 1. También se muestra una
imagen general de la máquina en la figura.
Fig. 4 Centro de mecanizado Makino A55e Fig 5. Estructura del centro de mecanizado
Estructura
La estructura de la máquina tiene características interesantes para El mecanizado de
volúmenes importantes de componentes de precisión.
Toda la estructura está construida en fundición
La configuración de los ejes para que la mesa (carga de los componentes) quede
sobre el eje Z. Así los ajustes de los ejes X y Y, que en general necesitan mejores
precisiones de interpolación que el eje Z, son casi constantes y nada más dependen
del peso de la herramienta.
La máquina se soporta sólo sobre 3 puntos y no necesita cimentación. La estructura
se diseña para se autoportante: esto significa que no necesita la masa de la
cimentación para ser estable. Este hecho asegura las precisiones a lo largo de los
tiempos de operación y facilita el rediseño de los layout de planta en caso de
cambiar la producción a otro tipo de componente.
En estos tipos de diseño los carros de ejes Z e Y acostumbran a ser bastantes ligeros
pero la columna (carro del X) no. En esta máquina se ha reducido el peso
diseñando el soporte de la guía posterior, a una altura superior al de la guía frontal.
Así el momento de flexión que producen los esfuerzos de mecanizado quedan
compensados por la inclinación del soporte.
Las guías son de rodadura y están permanentemente lubricadas. Con avances de 85
m/min no hay otra posibilidad.
Guías de rodadura
Sistemas de accionamiento
Todos los husillos a bolas están refrigerados para poder evacuar el calor generada
en los avances y aceleraciones máximas de los ejes
El accionamiento del eje Z es doble. Así nos ayuda a soportar las cargas de la mesa
y encima nos deja libre la parte central de la estructura que se aprovecha para
montar el extractor de virutas.
Los soportes de los husillos son fijo-fijo para mantener la máxima rigidez y
precisión, aunque las velocidades y aceleraciones sean tan elevadas.
Gráficos de potencia y par del cabezal de 14.000 rpm.
Cabezal
Este centro de mecanizado puede incorporar cabezales con diferentes velocidades de
rotación dependiendo de las aplicaciones: 14.000 rpm, para aplicaciones en componentes
de acero y fundición, 20.000 para aplicaciones en aluminio.
Refrigeración a través de la herramienta
En los dos casos se utilizan cabezales integrales con motores de doble bobinado para dar
más potencia a bajas vueltas. Como se ve en la figura el par es muy elevado (17 kgfm =
166,7 Nm). Los rodamientos tienen Ø interior = 80 mm, por lo que la rigidez del cabezal es
elevad y es capaz de hacer operaciones de desbaste hasta con la versión de 20.000 rpm.
La aceleración/desaceleración es importante para reducir los tiempos de viruta-viruta.
Gracias al control térmico del cabezal que evacua el calor del motor de 22 kW, los tiempos
de aceleración/desaceleración a y desde 7.000 rpm y 14.000 rpm pueden minimizarse.
(tabla 2).
Dispositivo de sujeción de los palets
El cabezal monta como estándar fijaciones HSK para dar más rigidez, aumentando la fuerza
de sujeción (18 kN) y mejorar las vibraciones (2 mm de pico a pico) y por tanto alargando
la vida de las herramientas.
Incorpora también refrigeración a través del cabezal hasta 70 bar para aumentar el
rendimiento de muchas de las herramientas de corte, especialmente cuando se trabaja con
aluminio.
Mecanismo de auto-limpieza de los conos
posicionadores del palet.
Mesa y 4º eje
La mesa consiste en un palet intercambiable con precisiones +- 0,002 mm, asegurando
siempre la corrección de El mecanizado sin necesidad de hacer comprobaciones dentro de
los ciclos de trabajo. El sistema de fijación integra 4 conos de posicionamiento con 4
sujeciones para asegurar la rigidez mientras se realizan mecanizaciones de grandes
esfuerzos.
Para asegurar la precisión del sistema se incorporan mecanismos de auto-limpiado que
impulsan aire mientras se está haciendo el cambio de la herramienta y así evitar que las
virutas se interpongan a las superficies de posicionamiento.
Cambiador de palets es de sistema rotativo
El palet lleva incorporado el eje B de la máquina. Este es a menudo un eje solo
posicionador (cada 5Þ o 1Þ) pero en este caso se pueden hacer interpolaciones con los ejes
X, Y o Z.
Los tiempos de indexación se han minimizado con tal de reducir al máximo los tiempos de
no-corte. Así la indexación de 0Þ a 90Þ se hace en 1,5 s y la de 0Þ a 180Þ en 1,8 s.
Recogedor de viruta
Sistemas auxiliares
El cambiador de herramientas es accionado por un motor eléctrico y un mecanismo de leva
mecánica que controla todos los movimientos: sujeción y alineación de la herramienta,
rotación del brazo y obertura y cierre de la puerta. Así se consigue tiempo total de cambio
de =,7 s y un tiempo viruta-viruta de 2,7 s.
El cambiador de palets es de sistema rotativo y por tanto los ejes no han de hacer
movimientos suplementarios, consiguiendo tiempos de cambio de 10 s.
La evacuación de la viruta se hace con un inteligente sistema de palets que se sitúan justo
debajo del carro del eje Z,. Así gran parte de la viruta producida en el mecanizado cae
directamente sobre el recogedor.
Chapas de protección de la zona de trabajo
Las chapas de protección de la zona de trabajo están diseñadas para evitar el
acumulamiento de virutas durante las operaciones continuas y la máquina incorpora
sistemas de limpieza de la zona de trabajo desde el techo para limpiar las protecciones y
desde la mesa para limpiar los útiles de fijación de la pieza mecanizada.
Control térmico y evacuación del calor
La máquina refrigera los husillos a bola y el cabezal con el mismo circuito de aceite. Este
es refrigerado por una unidad que mantiene la temperatura constante. También se incorpora
una unidad de refrigeración / calentamiento que mantiene la temperatura de la emulsión
refrigerante a +-0,5Þ C de diferencia con la temperatura de la columna, termo estabilizando
así la zona de trabajo y la pieza mecanizada.
13. ANEXO
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.
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).
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.
14. 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.
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.
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 se presenta una vista posterior de una de estas estructuras hexápodas.
Vista de la parte posterior del centro de mecanizado Urane de alta velocidad del fabricante
Renault Automation (actualmente parte del grupo Comau)
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 de el
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.
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 siguientes figuras se muestra una vista de la máquina y un esquema con el
funcionamiento del rayo.
Vista de la máquina Deckel DMU 60 L El direccionamento del eje se hace rotando
dos planos reflectores. Los sistemas de
accionamiento, es por tanto, muy simple
15. CONCLUSIONES
Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado, pero supone una
oportunidad de optimización en determinados campos de aplicación.
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
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.
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.
Cual es el siguiente paso:
1. Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.
1. Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.
2. En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente mayor
que el gasto de tiempo en mecanizado.
3. Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a pie
de máquina.
1. Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas, controles, etc.
1. La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de mecanizado
deseada y al perfil objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).
2. 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.).
3. CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el MAV.
4. La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la
operación requerida. Los recubrimientos aumentarán la vida de las
herramientas.
Electroerosion y el MAV
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.
Podria 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.
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.
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
