centros de mecanizado teoria

5/21/2018 Centros de Mecanizado Teoria

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Centros de mecanizado - Caractersticas y

conceptos

31 de mayo de 2008

Materiales IIInstituto Balseiro

Lucas Munoz

Introduccion

Un centro de mecanizado es una maquina altamente automatizada capazde realizar multiples operaciones de maquinado en una instalacion bajo CNC(control numerico computarizado) con la mnima intervencion humana. Las op-eraciones tpicas son aquellas que usan herramientas de corte rotatorio comocortadores y brocas. Comparando este sistema de mecanizado con los sistemastradicionales, se destacan la velocidad de produccion como ventaja y los altoscostos como desventaja.

Existen centros de mecanizado de una gran variedad de tamaos, tipos, fun-

ciones y grados de automatizacion, sus costos estan comprendidos en el rangode 50000 hasta 1 millon de dolares o mas. Sus tencias nominales llegan a 75kWy las velocidades de husillo de las m aquinas mas usadas tienen lmites de 4000-8000 RPM, aunque para aplicaciones especiales pueden llegar a 75000 RPM.Algunas mesas inclinables son capaces de soportar piezas de mas de 7000kg depeso.

En la actualidad se construyen muchas maquinas en forma modular, de talmodo que se puedan instalar y modificar diversos equipos y accesorios periferi-cos, segun se necesite en los cambios de productos a manufacturar.

Aspectos generales

Los centros de mecanizado poseen las siguientes caractersticas:

La flexibilidad y versatilidaddebida al alto grado de automatizacion lashace capaces de realizar diversas operaciones de mecanizado en una pieza.

Son reconfigurables, por lo que pueden cambiar rapidamente de configu-racion para realizar diferentes tareas de mecanizado sobre una pieza.

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Buen acabado superficial, lo que las hace aptas para dar forma final a laspiezas fabricadas.

La uniformidad en la produccion, que es importante en las produccionesen serie.

Alta velocidad de produccion, ya que realizan gran cantidad de operacionesen forma automatica sobre la pieza.

Algunas de las virtudes que hacen posible la flexibilidad y reconfigurabilidadmencionadas son elcambio automatico de herramientas, la utilizacion depaletastransportadorasy el posicionado automatico de la pieza de trabajo.

En el cuadro 1 se comparan las prestaciones de los centros de mecanizado yde las maquinas modernas con CNC.

Maquina herramienta convencional Maquina herramienta CNC

Un operario puede Un operario puedemanejar una sola maquina manejar varias maquinas

Es necesario consultar No es necesarioconstantemente el plano consultar apenas el plano

El operador tiene el control El programa tiene todo elde profundidad, avance, etc control de los parametros de corte

Mecanizados imposibles de mecanizar Posibilidad de realizarpracticamente cualquier mecanizado

Bajo costo de maquinaria Elevado costo de maquinas,accesorios y mantenimiento

Posibilidad de manejar pequeos Necesidad de mantener grandes volumenesvolumenes de produccion de produccion para amortizar los costos

Cuadro 1: comparacion de caractersticas de maquinas convencionales ymaquinas CNC

En la figura 1 se muestran algunos de los componentes basicos de un centrode mecanizado. En la imagen se pueden observar tambien las libertades demovimiento de la pieza y del husillo.

Se debe tener en cuenta que la configuracion de la figura 1 no es la unicacon 5 ejes, en otros casos, el husillo puede tener mas de 2 grados de libertad yla pieza menos de 3.

Otros componentes importantes que no se muestran en la figura 1 son elcambiador automatico de pallets y el cambiador automatico de her-ramientas.

El cambiador automatico de pallets tiene como finalidad principal acortarlos tiempos de produccion, con este sistema el operario puede cargar y descargarpiezas en los pallets mientras la maquina esta trabajando. Los tiempos de cambiode pieza son de 10-30 segundos.

El cambiador automatico de herramientas puede almacenar hasta 200 her-ramientas de corte en algunos casos. El almacenamiento se realiza en un carrusel,

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Figura 1:Esquema de un centro de mecanizado. El husillo tiene 2 ejes y el pallettiene 3, por lo que el centro de mecanizado tiene 5 ejes.

Figura 2: vista superior de un centro de mecanizado de husillo horizontal concambiador automatico de pallets. A la derecha, una configuracion con una solazona de pallets para dos centros de mecanizado

un tambor o una cadena. En algunos centros de mecanizado se dispone de al-macenamiento auxiliar de herramientas, con capacidad para muchas mas. Lasherramientas de corte se identifican con etiquetas en clave o con chips de memo-ria pegados directamente en los portaherramientas. Los tiempos de cambio deherramientas suelen ser de 5 a 10 segundos, aunque pueden variar entre 1 y 30segundos en casos de herramientas muy chicas o muy grandes respectivamente.

Entre los tipos de centros de mecanizado podemos distinguir los de husilloverticalde los de husillo horizontal, que se ilustran en las figuras 6 y 5.

Los centros de mecanizado de husillo verticalson adecuados paraefectuar operaciones de maquinado en superficies planas con cavidadeshondas, por ejemplo, en la fabricaron de moldes, matrices o dados. Comoen el maquinado vertical los empujes se dirigen hacia abajo, estas maquinastienen gran rigidez y producen piezas con buena precision dimensional. Engeneral son menos costosas que las de husillo horizontal. Ver ejemplo enla figura 5.

Loscentros de mecanizado de husillo horizontalson adecuados parapiezas grandes y altas, que requieren maquinarse en varias de sus superfi-cies. En algunos casos, la pieza que esta siendo maquinada puede inclinarse

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Figura 3: Pallets con piezas para ser mecanizadas, atras a la izquierda se ve elcentro de mecanizado

Figura 4:Cambiador de herramientas de tipo carrusel de una maquina de husillovertical

respecto a ejes diferentes para ocupar diferentes posiciones angulares. Unacategora de maquina de husillo horizontal es la de centro de torneado.Estos tornos controlados por computadora suelen tener mas de un husillohorizontal y torretas equipadas con una variedad de herramientas de corte.

Ver ejemplos en las figuras 1 y 5.Como se ve en la figura 6, existe una configuracion de 5 ejes, mucho mas

sofisticada, compleja y menos usada que las dos mencionadas anteriormente.

Estructuras de centros de mecanizado

Algunos aspectos a tener en cuenta en el diseo de la estructura de unamaquina herramienta son losmateriales empleados, lasdilataciones termi-cas, la rigidez y la capacidad de amortiguamiento de vibraciones.

MaterialesLos requisitos sobre los materiales a utilizar son

Rigidez (alto modulo de elasticidad) para minimizar las deformaciones alser cargados y minimizar vibraciones

Baja densidad para minimizar las fuerzas inerciales

Baja dilatacion termica

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Figura 5:A la izquierda, centro de mecanizado de husillo vertical. A la derecha,centro de mecanizado de husillo horizontal.

Figura 6: a) Disposicion de husillo vertical. b) Disposicion de usillo horizontal.c) Disposicion de 5 ejes

Capacidad de absorber vibraciones

Alta conductividad termica es deseable en algunas partes para extraerrapidamente el calor generado por el corte

Bajo costo

Los materiales mas comunes para estructuras de soporte o armazon de labancada son a) hierro colado o fundicion gris, ductil o nodular, b) acero forjadoy c) concreto de polmero. Entre los desarrollos mas recientes se incluye el usode ceramicos y de compuestas de granito y epoxico.

El hierro gris o de fundicion tiene un bajo costo y buena absorcionde vibraciones, pero las partes resultan muy pesado en relacion a suscapacidades mecanicas. Este es el primer material usado en m aquinas her-ramientas.

Los ceramicos se usan en maquinas herramientas de avanzada, sus ven-tajas son la resistencia especfica, rigidez, resistencia a la corrosion, buenacabado superficial y estabilidad termica. Un ejemplo de aplicacion son

los husillos y cojinetes hechos de nitruro de silicio, en los que se destacanlas buenas caractersticas de friccion y desgaste.

Los materiales compuestos pueden estar formados por una gran var-iedad y combinacion de matrices y material de refuerzo, presentan muybuenas propiedades mecanicas. Tienen importancia en maquinas de gran

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precision y gran velocidad, pero su uso esta muy restringido por su altocosto.

El compuesto granito-epoxico consiste de 93 % de granito trituradoy 7 % de alglomerante epoxico. Entre las propiedades as llamativas estana) buena facilidad de moldeo, b) buena relacion rigidez-peso, c) estabili-dad termica, d) resistencia al degradamiento por el ambiente y e) buenacapacidad de amortiguamiento.

Elconcreto de polmero es una mezcla de concreto triturado y plastico,puede ser fundido facilmente para tomar diferentes formas. Tiene buenacapacidad de absorber vibraciones pero baja rigidez y baja conductivi-dad termica. Puede ser usado en sandwich con acero de fundicion paracombinar las propiedades de ambos materiales.

Dilataciones termicasLas distorsiones termicas en las maquinas herramientas contribuyen signi-ficativamente a la imprecision de la operacion de mecanizado. Se estima que un50 % del error final tiene esta causa. Las fuentes (y sumideros) de temperaturapueden serinternas o externas. Las primeras son rozamientos provocados entodas las juntas y los actuadores electricos y el calor producido gracias al corte,las segundas son los fluidos de corte, y cualquier causa de las variaciones detemperatura en el ambiente que rodea a la maquina. Estas consideraciones sonespecialmente importantes para maquinados de precision y ultraprecision. Lassoluciones implementadas para minimizar los efectos de las dilataciones termicasson:

Compensacion de errores por software, esto incluye el modelado de las

distribuciones de temperatura en las partes de la maquina.Rodamientos de gas o fluido.

Utilizacion de fluido de corte para refrigerar la zona de trabajo.

Implementacion de materiales con bajo coeficiente de dilatacion termicacomo el granito, ceramicos y compuestos.

Rigidez y capacidad de amortiguamiento de vibracionesEstos dos aspectos son funciones de a) propiedades mecanicas de los de los

materiales empleados: modulo de elasticidad, densidad, b) la geometra de laspartes de la maquina, c) los tipos y cantidad de juntas usadas. Hay un com-promiso entre la ligereza de los componentes, importante para obtener menores

fuerzas de inercia y mayores velocidades de maquinado, y la rigidez, que se logracon componentes grandes y pesados. Con respecto a las vibraciones, es impor-tante notar que cuanto mayor es el numero de junturas, mejor es la capacidadde amortiguar vibraciones.

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Plataformas de Stewart

Un diseo innovador para las estructuras de los centros de mecanizado son loshexapodos, tambien llamados plataformas de Stewart. El concepto provienede los simuladores de avion. En estas maquinas, el husillo esta agarrado por seisbarras de longitud variable como se muestra en la figura 7, pudiendo moversesegun 6 ejes. La pieza a ser mecanizada se encuentra fija en la plataforma demas abajo.

Figura 7: esquema de una plataforma de Stewart, se advierten los seis gradosde libertad de la plataforma (donde va el usillo), el volumen de trabajo aumentacon el largo de las barras

Los centros de mecanizado tradicionales consisten basicamente de (1) mecan-ismos en serie, con (2) estructuras de tipo cantilever. Estas caractersticasno son buenas desde el punto de vista de la precisi on ya que (1) las deformacionesde cada pieza (cada pieza soporta la totalidad de la carga) se suman acumu-lando una desviacion total en el husillo y (2) las estructuras de tipo cantileveradmiten deformaciones grandes, resultando una baja rigidez.

En cambio, en las plataformas de Stewart, se utiliza el concepto demecanis-mos en paralelo, por otra parte, la mayora de los esfuerzos sobre los miembrosson axiales, as que la estructura es inherentemente mas rgida. Los miembrosen paralelo soportando la carga entregan un error promedio y sufren variacionesde fuerza bajas en las juntas en comparacion a los mecanismos en serie. Lasbarras consisten de tubos telescopicos (puntales o piernas) con tornillos sinfinesde bolas. Otra mejora que se persigue con este innovador tipo de maquinas esaumentar el volumen en el cual el husillo puede actuar, para poder mecanizar

piezas grandes. Por otra parte, al tener seis grados de libertad se puede tener eleje de la herramienta de corte constantemente perpendicular a la superficie queesta siendo mecanizada.

Este nuevo concepto tiene en el presente un lugar muy acotado en el mundode los centros de mecanizado. Los precios de estas maquinas son muy altos, perobajaran a medida que sean mas aceptadas y usadas.

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Figura 8: centro de mecanizado hexapodo o plataforma de Stewart mecanizandouna pieza

Arquitectura electro-informatica de un centro de

mecanizado

En esta seccion se mencionan las estructuras basicas del sistema electro-informatico de los centros de mecanizado. Un centro de mecanizado tiene unaestructura muy parecida a los sistemas informaticos clasicos, pudiendo comu-nicarse entre ellos. Actualmente pueden llegar a formar parte de una red in-formatica. Basicamente se distinguen las siguientes partes o estructuras en lossistemas de los centros de mecanizado:

Unidad central de procesos o CPU

Perifericos de entrada

Unidades de almacenamiento de datos

Perifericos de salida

Unidad de enlace, PLC (conexion con actuadores)

A. Unidad central de procesos o CPU:Es el corazon del sistema, esta com-puesto por una estructura informatica donde el microprocesador es el ele-mento principal. La capacidad y potencia de calculo del microprocesador

determina la capacidad real de la maquina CNC. Entre las funciones quetiene que realizar se encuentran:

Calcular la posicion de los ejes y los desplazamientos de la maquina

Controlar los diferentes modos de funcionamiento de la m aquina

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B. Perifericos de entrada: Son todos los elementos que sirven para suminis-trar informacion a la CPU. Entre los mas importantes estan los siguientes:

teclado y panel de mandos

Reglas opticas y posicionadores

Conexion con el ordenador

La comunicacion con un ordenador de una capacidad superior al CPUresulta necesaria en muchos casos porque este ultimo no tiene mucha ca-pacidad de almacenamiento.

C. Unidades de almacenamiento de datos: Actualmente los tipos masutilizados son

Conexion RS232 con ordenador (la informacion se guarda en la PC)

Disco duro (para los centros de mecanizado mas modernos).

D. Perifericos de salida:Son todos aquellos elementos que sirven para recibirla informacion que suministra la CPU. Entre los mas importantes se desta-can

Monitor

Comunicaciones RS232

Control de movimiento de los ejes y demas elementos de la maquina

El monitor le informa al operario todos los sucesos que se estan producien-do entre los diferentes procesos de comunicacion, tanto los datos de entradacomo los de salida, esto incluye, variables (ej. velocidades, RPM), errores

que se detectan en el sistema, informacion que se suministra en el teclado,etc.

Figura 9:diferentes entornos graficos desplegados en el monitor de un centro demecanizado

E. Unidad de enlace, PLC: Una vez procesados los datos por la CPU, setransmite la informacion a los diferentes organos de la maquina, para

que se proceda a la ejecucion. Estos datos no los enva directamente a lamaquina (motores, giro del cabezal, etc), sino que lo hace a traves de unPLC, tambien llamado automata programable.

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Figura 10: PLC o automata programable. Dispositivo utilizado comunmente co-mo enlace entre la CPU y los actuadores.

Aplicaciones especiales - Maquinado de alta ve-

locidad

Con la demanda de grandes velocidades de produccion, surge el concepto de

hight speed machining (HSM). Los rangos de velocidades de corte se clasificanen:

high speed: 600 - 1800 m/min

very high speed: 1800 - 18000 m/min

ultrahigh speed: >18000 m/min

Las velocidades de giro en operaciones de torneado pueden llegar a 50000RPM. En esta aplicacion es importante la eleccion del material de corte, algunoscandidatos para esto son: carburos, ceramicas, nitrato de boro y diamante.

Se debe tener en cuenta que el maquinado de alta velocidad cobra importan-cia cuando el tiempo de corte es grande frente a otros tiempos de operaciones

sobre la pieza. Se debe estudiar cuidadosamente en que aplicaciones se justificala implementacion de las altas velocidades de corte. Algunos ejemplos son:

Componentes de estructuras de aviones en aluminio

Helices de submarinos de 6 metros de diametro, hechas de aleacion Ni-Al-Cu-Zn.

Motores para vehculos.

Un aspecto positivo del maquinado a altas velocidades es la rapida remocionde calor debido a la cantidad de chips que salen de la pieza.

Las caractersticas de las maquinas herramientas que funcionan a alta ve-locidad son:

Diseo especial del usillo, que implica precision, buen balanceo, rigidez, seusan generalmente motores electricos integrados al husillo.

Rodamientos especiales.

Grandes fuerzas de inercia.

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Sistemas rapidos de alimentacion (intercambio de herramientas, intercam-bio de pallets).

Herramientas de corte especiales.

Alta capacidad de procesamiento y control computacional.

Sistemas eficientes de remocion de chips.

Aplicaciones especiales - maquinado de ultrapresi-

cion

La demanda de mayor precision surge de las aplicaciones en computacion,electronica y nuclear entre otras. Algunos productos son espejos opticos, discosde memoria para computadoras y tambores para maquinas fotocopiadoras. Los

requerimientos de terminacion superficial son del orden de decenas de nanomet-ros. Maquinas modernas de mecanizado de ultrapresicion pueden posicionar laherramienta de corte con un error cercano al nanometro. La herramienta decorte de estas maquinas esta compuesta de un monocristal de diamante. Lagama de materiales manufacturados con esta tecnica incluye cobre, nquel, alu-minio, plata y plasticos (acrlicos).

Economa de mecanizado

Cuando las maquinas herramientas se usan para fabricar productos en formaseriada, tiene sentido estudiar la economa de mecanizado para maximizar laproductividad o para minimizar los costos por pieza. En la presente secci on se

desarrollan meEl costo de mecanizado por pieza esta dado por

Cpieza = Cmecanizado+Cpreparado+Ccarga+Cherramienta (1)

Los costos de la derecha son:

Cmecanizado es el costo de mecanizado y es igual a Cmecanizado =Tm(Lm + Bm), donde Tm es el tiempo en horas que tarda la maquinaen mecanizar una pieza, Lm es el salario por hora del operario y Bm es elcosto de maquina, que incluye el desgaste de la misma y el mantenimiento,pero no el desgaste de la herramienta de corte.

Cpreparado es el costo no productivo, que incluye mano de obra rela-cionada con la preparacion para maquinar, montaje de la herramienta ypreparacion de los soportes entre otras cosas. Este es un precio fijo enpesos por pieza.

Ccarga es el costo de carga y descarga de piezas a maquinar y es igual aCcarga= Tc(Lm+ Bm), dondeTc es el tiempo de carga y descarga de unapieza.

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Cherramienta es el costo de herramienta, suele ser del orden de un 5 %del costo total de mecanizado y esta dado por

Cherramienta= 1

Np[Th(Lm+Bm) +Dc] (2)

donde Np es la cantidad de piezas fabricadas por herramienta, Th es eltiempo necesario para cambiar la herramienta y Dc es el costo de la her-ramienta intercambiada.

El tiempo requerido para producir una pieza es

Tp= Tc+Tm+ ThNp

(3)

Tm depende de la operacion a realizar, por ejemplo, en un cilindrado de un

tornoTm=

l

pN =

ld

pV (4)

donde l es el largo del cilindrado, p es el paso (profundidad que recorrela herramienta en una vuelta) N son las vueltas por minuto de la pieza, Vla velocidad de corte y d el diametro. Se puede demostrar que el tiempo deduracion de una herramienta T esta dado por

T =

C

V

1/n(5)

conCyn constantes. La 5 es la ecuacion de Taylor para la duracion de unaherramienta [2]. La cantidad de piezas fabricadas por herramienta es

Np= T

Tm(6)

Combinando la 4, 5 y 6 queda

Np= pC1/n

ldV1/n1 (7)

Con todo esto vemos la dependencia en V de la ecuacion 1 (costo de unapieza):

Cpieza = Cmecanizado 1/V

+Cpreparado+Ccarga+Cherramienta V1/n1

(8)

Comon


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Tcosto= [1/n1]

Tc(Lm+Bm) +Dc

Lm+Bm (10)por otra parte, la dependencia enVdel tiempo de produccion de una pieza

(ecuacion 3) es

Tp= Tc+ Tm1/V

+ ThNpV1/n

(11)

El tiempo de manufactura de una pieza tambien tiene un mnimo en el quela velocidad de corte y el tiempo de vida de la herramienta son

Vtiempo= C

{[1/n1] Tc}n (12)

Ttiempo= [1/n1] Tc (13)

En la figura 11 se muestran graficas cualitativas del costo por pieza y tiempopor pieza

Figura 11: Graficas de maquinado: a) costo por pieza y b) tiempo por pieza,notar que, como es de esperar, la velocidad optima en el caso b) es mayor queen el caso a). La curva de costo de herramienta existe si se cuenta conla posibilidad de afilar la herramienta varias veces hasta que sea necesaria sureposicion

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Se debe utilizar la zona de trabajo en el intervalo de alta eficienciabuscando el mejor compromiso entre alta productividad en el menor tiempo

posible y menor costo por pieza.

Estado del Arte en Argentina

Ademas de importar maquinaria de mecanizado para diversas aplicaciones, laArgentina tiene algunas empresas que desarrollan y fabrican maquinaria CNCpara la industria. Una de estas es la cordobesa Promecor, que fabrica tornosCNC (verticales y horizontales), centros de mecanizado, maquinas especialesy otros desarrollos. Dos de estos productos son el torno vertical CNC de lafigura 12 y el centro de mecanizado de husillo vertical de la figura 13. Comoinformacion general, este ultimo tiene 3 ejes, admite una carga de 300 Kg,posee un almacenador con capacidad para 30 herramientas de corte y un motor

electrico en el husillo de 18,5 KW.

Figura 12: Torno vertical CNC marca Promecor

Figura 13: Centro de mecanizado de 3 ejes marca Promecor

La empresa Gulmi CNC de Buenos Aires fabrica centros de mecanizado

pequeos desde el ao 2002. En la figura 14 se observa la fresadora CNC Gulmi400, que se trata de una fresadora de banco/pie convertida a CNC con tecnologade control basada en PC, tiene un motor de husillo de 1.5 hp, 1850 RPM.

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Figura 14: GULMI 400, Fresadora de banco CNC de 3 ejes, resolucion 0.0025mm

Referencias

[1] Fundamentos de Manufactura Moderna, Mikell P. Groover, 1997

[2] Manufactura, ingeniera y tecnologa, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid

[3] Control numrico y programacin: Centros de fabricacin de mquinas, Fran-cisco Cruz Teruel

[4] http://www.laboratoryformicroenterprise.org/lme/LMEHexapodMachine.html

[5] http://findarticles.com/p/articles/miqa3618/is199708/ain8764025?tag =rel.res1http: //gulmi.com.ar

[6][6] http://www.promecor.com.ar

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