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Ensayos y Trabajos Generador de Citas Más
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Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad 12
1. INTRODUCCIÓN 12
2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD? 12
3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA? 13
3.1. Un cambio de filosofía 14
4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV 15
5. CONCLUSIÓN 15
La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad 16
1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-
HERRAMIENTA 16
1.1. Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S) 16
1.2. Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F) 18
1.3. Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal
removal rate”) y potencia del cabezal 19
1.4. Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte 19
1.4.1. Aceleración / desaceleración del cabezal 20
1.4.2. Tiempo de cambio de herramienta 20
1.4.3. Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes 20
1.4.4. Tiempo de cambio de palet 21
1.5. Estabilidad térmica 21
1.5.1. Cabezal 21
1.5.2. Sistema de accionamentos 22
1.5.3. Estructura 22
1.6. Rigidez – amortiguación 22
2. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MÁQUINA-
HERRAMIENTA 27
2.1. Materiales de construcción 27
2.1.1. Fundición 27
2.1.2. Estructuras soldadas 28
2.1.3. Materiales políméricos 28
2.2. Estructura 30
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2.2.1. Parámetros de diseño 30
2.2.2. Guías 31
2.2.2.1. Guías de fricción hidrodinámicas 32
2.2.2.2. Guías de rodadura 33
2.3. Ejes 34
2.3.1. Uniones 35
2.3.1.1. Uniones indirectas 35
2.3.1.2. Uniones directas 35
2.3.2. Husillo de bolas 36
2.4. Cabezal 36
2.4.1. Rodamientos 37
2.4.2. Método de lubricación 38
2.4.3. Generación de calor 39
2.4.4. Fuerza de sujeción 39
2.4.5. Tipos de cabezales 41
2.4.5.1. Cabezal con transmisión de engranajes 41
2.4.5.2. Cabezal con transmisión para correas 42
2.4.5.3. Cabezal con acoplamiento directo 43
2.4.5.4. Cabezal integrado 44
2.5. Elementos auxiliares en el mecanizado 45
2.5.1. Cambio automático de herramienta 45
2.5.2. Cambio automático de palets 47
2.5.3. Evacuación de la viruta y refrigeración del corte 48
2.6. Control térmico y evacuación del calor 49
2.6.1. Motores de los ejes 50
2.6.2. Husillo de bolas 50
2.6.3. Cabezal 51
2.6.4. Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte 53
2.6.5. Sistemas auxiliares 53
3. NUEVAS TENDENCIAS 54
3.1. Hexápodos 54
3.2. Mecanizado por láser 55
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Herramientas para mecanizado a alta velocidad 57
1. INTRODUCCIÓN: 57
2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS: 57
2.1. Sustrato 58
2.2. Geometría 59
2.3. Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a
mecanizar. 59
2.4. Recubrimientos 59
2.4.1. Recubrimientos de TiAlN 60
2.4.2. Recubrimiento de diamante 60
2.4.3. Recubrimiento WC/C: 60
2.4.4. Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C 60
Herramientas para Mecanizado de Alta Velocidad 62
1. CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS 62
2. CONSIDERACIONES FÍSICO-QUÍMICAS 69
3. El PCBN 72
Parámetros y condiciones de corte en MAV 74
1. PARÁMETROS DE CORTE 74
2. CONDICIONES DE CORTE 77
2.1. Corte a favor o en oposición 77
2.2. Estabilidad en el corte 78
Portaherramientas para máquinas de alta velocidad 79
1. INTRODUCCIÓN 79
2. AJUSTES 79
3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO 81
Portaherramientas para Mecanizado de Alta Velocidad 83
1. Los portaherramientas 83
2. Equilibrado 83
3. Salto 85
4. Tipos de portaherramientas 86
5. Refrigeración 89
Conos porta-herramientas para mecanizado de alta velocidad 93
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1. INTRODUCCIÓN 93
2. CONOS ISO - HSK 93
3. SUJECIÓN DE LA HERRAMIENTA 95
3.1. Sujeción mecánica mediante pinza 95
3.2. Conos hidráulicos 96
3.3. Zunchado térmico 97
4. EQUILIBRADO 98
Electromandrinos de altas prestaciones para MAV 101
1. Demandas de los usuarios de electromandrinos 102
2. Electromandrinos de Goialde HS 102
3. Conclusiones 102
Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad 104
1. INTRODUCCIÓN 104
2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES 104
3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES 105
Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad 107
1. Introducción 107
2. ¿Qué es un motor lineal? 107
3. ¿Qué ofrecen los motores lineales? 108
4. Conclusiones 110
Controles numéricos para MAV 111
1. INTRODUCCIÓN 111
2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD 112
2.1. Tiempo de ciclo del servoaccionamiento 112
2.2. Tiempo de proceso de bloque 112
2.3. Look-Ahead 113
2.4. Control de aceleraciones 113
2.5. Capacidad de almacenamiento. Ethernet. 114
2.6. Interpolación polinómica. NURBS. 114
3. CONTROLES ABIERTOS 115
4. CONCLUSIÓN 116
Los CNC y el MAV 117
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1. INTRODUCCIÓN 118
2. ¿CÓMO TRABAJA EL CNC? 118
3. CONCLUSIÓN 129
El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida en
máquinas para el mecanizado de alta velocidad 131
1. Transmisión de datos del CAM al control numérico 131
1.1. Sistemas DNC 131
1.2. Comunicaciones Ethernet y grandes almacenamientos de memoria
132
1.3. Formato cartesiano y NURBS 133
2. Procesamiento de datos en el CNC 135
2.1. Tiempo de procesado 135
2.2. Control de la trayectoria 136
2.2.1. Error de seguimiento 137
2.2.2. Ganancias del sistema CNC-servomotor 138
2.2.3. Filtros 138
2.2.4. “Look ahead” y “feed-forward” 138
2.2.5. Límites de error de la trayectoria 139
Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad 141
1. INTRODUCCIÓN 141
2. OPERACIÓN DE DESBASTE 141
3. OPERACIONES DE ACABADO 143
4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO 145
Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser
aplicado hoy" 146
Problemática de las máquinas de arquitectura paralela 151
1. INTRODUCCIÓN 151
2. CINEMÁTICA PARALELA 151
3. VENTAJAS E INCONVENIENTES 153
Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte) 154
1. MECANIZADO DE COMPONENTES 154
1.1. Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras 154
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1.2. Componentes en producciones de alto volumen 155
1.3. Componentes en producciones de volumen medio-bajo 157
2. CENTRO DE MECNIZADO PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
BASICA 158
2.1. Estructura 159
2.2. Sistemas de accionamiento 160
2.3. Cabezal 160
2.4. Mesa y 4º eje 162
2.5. Sistemas auxiliares 163
2.6. Control térmico y evacuación del calor 163
Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (2ª parte) 165
1. MECANIZADO DE MOLDES Y MATRICES 165
1.1. Moldes de inyección de plásticos 165
1.2. Moldes de inyección de aluminio 168
1.3. Moldes de soplado 169
1.4. Matrices de forja en caliente y frío 170
1.5. Matrices de extrusión de aluminio 171
2. CENTRO DE MECANIZADO PARA MOLDES Y MATRICES DE PRECISIÓN
172
2.1. Estructura 174
2.2. CNC y sistemas de accionamiento 175
2.3. Cabezal 176
2.4. Sistemas auxiliares 178
2.5. Control térmico y evacuación del calor 178
Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección 180
1. Estructura del molde 181
2. Aceros empleados en el molde 182
3. Quadworx: herramientas utilizadas 182
4. La máquina: Huron KX10 183
Tres talleres testimonian las ventajas del mecanizado del acero templado
por corte a alta velocidad 185
1. Ermet: ganancias de tiempo considerables 186
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2. Heckler : matrices para fabricación en gran serie 188
3. ProForm : precisión máxima 190
EvoBus realiza el mecanizado de aluminio utilizando la técnica ‘nesting’
192
El mecanizado de alta velocidad, gran ayuda para moldistas 193
1. Pero, ¿qué es el mecanizado de alta velocidad? 193
2. Un paso hacia el mecanizado óptimo 194
3. ¿Qué supone el MAV en una empresa? 194
4. Un cambio de filosofía 194
5. Conclusión 196
El fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices 197
1. Útiles para pieza pequeña. 197
2. Útiles para pieza grande. 199
3. Ejemplos de aplicación realizados en la Fundación ASCAMM: 200
3.1. Placa de figura de doble cavidad para inyección de termoplástico 200
3.2. Electrodo de cobre electrolítico para mecanizado por EDM 201
3.3. Placa figura punzón para molde inyección de plástico 202
3.4. Pieza para validación de estrategias de desbaste 202
3.5. Electrodo de grafito biela 203
3.6. Electrodo de grafito nervio 203
4. Conclusiones: 204
El mecanizado de alta velocidad en la fabricación de estructuras
aeronáuticas 206
1. Paredes Delgadas 206
2. Suelos delgados 207
Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser para
la fabricación de moldes 209
1. Procedimiento Experimental 210
1.1. Equipamiento disponible 210
1.2. Cabezal de fresado a Alta Velocidad 210
1.3. Sistema Láser 210
1.4. Software 211
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2. Estudio del proceso 211
2.1. Material 211
2.2. Resultados experimentales 212
3. Mecanizado de Molde Ejemplo 215
Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø2mm, con 4 filos de corte 215
Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte 215
Herramienta esférica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte 216
4. Conclusiones 216
Rugosidad 217
Tiempo 217
Agradecimientos 217
La electroerosión frente al mecanizado de alta velocidad 218
1. Desarrollos en fresados de alta velocidad 219
2. Puntos fuertes en la aplicación de procesos de electroerosión 221
3. Propuesta de evaluación de una pieza para electroerosión 222
4. Posibilidades de combinación 225
5. Conclusiones 227
6. Bibliografía 227
Seguridad en máquinas de alta velocidad 229
Manual de seguridad laboral para máquinas-herramienta de trabajo de
los metales en frío 229
1. Disposiciones mínimas generales aplicables a las máquinas 229
1.1. Órganos de accionamiento 229
1.2. Puesta en marcha 230
1.3. Parada 230
1.4. Caída de objetos y proyectores 231
1.5. Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos 231
2. MEDIOS DE ACCESO Y PERMANENCIA 231
3. ESTALLIDOS, ROTURAS 232
4. ELEMENTOS MÓVILES 232
Tutorial básico
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* Definición de mecanizado de alta velocidad
Tutorial avanzado
* La máquina-herramienta para MAV
* Herramientas para MAV
* Herramientas para mecanizado a alta velocidad [Tekniker]
* Herramientas para mecanizado de alta velocidad [Juan Martín]
* Parámetros y condiciones de corte en MAV
* Portaherramientas para MAV
* Portaherramientas para máquinas de alta velocidad [Tekniker]
* Portaherramientas para MAV [Juan Martín]
* Conos portaherramientas para MAV
* Mordazas autocentrantes para MAV
* Electromandrinos de altas prestaciones para MAV
* Refrigeración en MAV
* Motores lineales para MAV
* Controles numéricos para MAV
* Controles numéricos para MAV
* Los CNC y el MAV
* El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida
[Juan Martín]
* CAD/CAM para MAV
* Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser
aplicado hoy"
* Máquinas de arquitectura paralela (hexápodos)
Aplicaciones
* Mecanizado de componentes
* Mecanizado de moldes y matrices
* Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección
* Mecanizado del acero templado
* Mecanizado de aluminio por nesting
* MAV, gran ayuda para los moldistas
* Fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices
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* El MAV en la fabricación de estructuras aeronáuticas
* Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser
para la fabricación de moldes
* Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte) (2ª
parte)
Formación / eventos
* Plan de formación sobre mecanizado de alta velocidad
* Conferencia internacional MAV San Sebastián 2007
* Seminario Hitachi IMH 2006
* Jornada sobre MAV, IMH, Tekniker e Hitachi 2004
* Jornada técnica ASCAMM 2001
Proveedores
* Fresadoras MAV
* Centros de mecanizado MAV
Alternativas
* La electroerosión frente al MAV
* Preferencias por la electroerosión en comparación con el Mecanizado
de Alta Velocidad
Centros tecnológicos
* Centro de Aplicaciones de MAV - Fundación Tekniker
* Fatronik
* Fundación Ascamm
* Ideko
Reportajes usuarios
* Construcciones Mecánicas Solé
* Talleres Mol-Matri
El sector opina
* Entrevista a Juan Ignacio Sáez, Director General de Industrias Anayak
* Entrevista-encuesta a proveedores españoles
Investigación Universitaria
* Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao
Formación
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* Plan de formación en MAV
Normativa de seguridad
Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi LópezCentro de Aplicaciones
del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. INTRODUCCIÓN
Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución
experimentada por la tecnología de fabricación en los últimos 10 - 15
años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de
comunicación, etc, están revolucionado el mundo en general y en
particular el mundo empresarial. En el campo que nos concierne,
mecanizado-fresado, “el cambio o la revolución” ya ha llegado y, aunque
todavía queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a
Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad que muchas empresas y mucha
gente todavía desconocen.
El MAV hoy en día es una tecnología de corte con bases sólidas que abre
las puertas del mecanizado de materiales y figuras que antes no se
podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, como por
ejemplo: materiales con una dureza superior a 50 Hrc o paredes
delgadas de 0.2 mm, etc.
2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD?
Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? Es mecanizar a altas
velocidades de husillo (n)? Es mecanizar a altos avances (Vf)?…
Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es
que no significa obligatoriamente mecanizar a altas revoluciones de
husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de
husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro
(25 - 30 mm). Las condiciones del proceso (velocidad de corte, avance,
profundidades de corte radial y axial, etc). dependerán del material a
mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.
Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias
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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.
Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización
del mecanizado con las posibilidades existentes limitado por la
pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAM-CNC)
disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre
5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional
“para cada material”.
Un paso hacia el mecanizado óptimo
Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado
un paso importante hacia el mecanizado óptimo de cada material. A
medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas,
herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc… se irá
avanzando hacia la optimización general del mecanizado, en el que cada
material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus
herramientas, etc.
3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA?
La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el
mecanizado en óptimas condiciones y la posibilidad de mecanizar
algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte
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Vc (>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.
4.1. Un cambio de filosofía
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.
2. 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.
El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone
un cambio de mentalidad y necesidades: es una tecnología que no tiene
nada que ver con el mecanizado convencional.
| |
El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja
velocidad de corte por muchas pasadas rápidas de menor profundidad
de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada
(volumen de material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de
corte y los elevados avances disminuyen las fuerzas de corte gracias a
espesores de viruta cada vez más pequeños.
4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV
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* Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles,
posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm)
* Mayor precisión de los contornos , mejor calidad superficial y
tolerancias dimensionales más precisas
* Reducción del tiempo de pulido
* Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado
* Mecanizado de paredes finas
* Reducción del tiempo de mecanizado y coste global
* Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta
* Evacuación casi total del calor por medio de la viruta
* Aumento en la vida de la herramienta
* Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera
mecanizado en caliente
5. CONCLUSIÓN
Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado,
pero supone una oportunidad de optimización en determinados campos
de aplicación.
La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad
Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano
Almoril
En este artículo se profundizará en las soluciones constructivas de las
máquinas-herramienta preparadas para aplicaciones de alta velocidad.
Este estudio se basa únicamente en los centros de mecanizado (de
fresado) y no se tienen en cuenta otras máquinas de arranque de viruta
como tornos, abrasión (rectificadoras) o electroerosión. El concepto de
mecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para
muchas de estas tecnologías, pero sólo se tratarán los centros de
mecanizado (fresadoras) para arranque de viruta.
Para afrontar el estudio de las soluciones constructivas de las máquinas-
herramienta hay que definir primero las necesidades funcionales de las
mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa y
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cuantitativamente diferentes dependiendo de la aplicación de la
máquina. En el caso de una máquina diseñada para el mecanizado de
moldes de inyección de plásticos, donde el acabado de las superficies
complejas de 3D es lo más importante, los conceptos de precisión
(±0,002 mm), falta de vibración (<0,002 mm, pico a pico) y requerimientos
de Vc (aprox. 300 m/min) serán muy diferentes a una máquina concebida
para el mecanizado en serie de piezas de aluminio o magnesio de
fundición, donde lo que prima son las aceleraciones, velocidades de
posicionamiento y minimización de los tiempos de no-corte.
Se intentarán agrupar todas las necesidades en los rangos más estrictos
para cualquier aplicación. En otro capítulo se retomarán estas
necesidades para máquinas concretas y aplicaciones diversas.
1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-
HERRAMIENTA
En un capítulo anterior se han definido los parámetros de aplicación
deseados para la máquina perfecta de alta velocidad. Ahora queremos
traducir estos parámetros en parámetros funcionales de la máquina.
Los parámetros de aplicación: velocidad de corte (Vc), cantidad de
material desalojado (MRR) y avance para diente (fz) son fácilmente
relacionables con conceptos funcionales tales como velocidad de cabezal
(S), potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez,
amortiguación, precisión o estabilidad térmica, se interrelacionan y
afectan a muchos de los sistemas de la máquina-herramienta,
haciéndolos algunas veces incompatibles con los requerimientos
funcionales.
2.1. Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S)
La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la
herramienta cuando el cabezal gira a las revoluciones necesarias para
arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de la
velocidad angular del cabezal S, (rpm) y el diámetro de la herramienta,
Øherramienta (mm). Sabemos por capítulos anteriores que, con estas
magnitudes, la velocidad de corte se calcula según la ecuación:
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donde:
Rmax = rugosidad máxima teórica (mm)
R = radio de la herramienta (mm)
Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobre todo, los
nuevos recubrimientos permiten mecanizar a más altas velocidades de
corte, la máquina debería aumentar proporcionalmente la velocidad
angular de su cabezal.
La velocidad angular máxima del cabezal de la máquina-herramienta
depende de un parámetro básico de diseño. La Vc depende, aparte del
tipo de herramienta, de su diámetro y del material que se está
mecanizando y, por tanto, de la aplicación a la que esté destinada la
máquina.
Así pues, para materiales ligeros como el aluminio o el magnesio las
velocidades de corte que se pueden conseguir con herramientas
adecuadas llegan a 1500 m/min, mientras que para titanio es posible, con
suerte, llegar a 80 m/s. La variación es grande. Además, las herramientas
con las que podemos llegar a cortar con alta velocidad son de Ø 25 mm
(muchas de las aplicaciones aeronáuticas en aluminio) hasta a Ø 1 mm o
incluso menores (para mecanizar directamente acero templado para
moldes de inyección de plásticos).
Por tanto, y poniendo algunos de los casos más típicos, la velocidad
angular máxima del cabezal tendría que ser como se muestra en la tabla
1.
| Material | Vc | Herramienta mínimo | Velocidad angular (S) |
Aeronáutica: piezas de estructuras | Aluminio | 1200 | 15 | 25.500 |
Moldes de inyección de plásticos multicavidad de precisión | Acero DIN
1.2344 | 220 | 1 | 70.000 |
Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 60 | Ø 10 | 1.900 |
Tabla 1.- Velocidad angular máxima del cabezal |
Con estos valores se comprueba que las diferencias de velocidad angular
de cabezales entre diferentes aplicaciones son evidentes. Estos valores
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son valores teóricos que, en la práctica, se pueden ver limitados para la
potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida útil del cabezal
o para los avances de mecanizado requeridos en estas velocidades
angulares del cabezal. De todo esto se hablará en el apartado 2.
2.2. Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F)
El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre
el corte de uno de los dientes y el siguiente. Es decir: el avance por diente
es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valor está
limitado para la rigidez del alma de la herramienta y para la potencia que
puede generar el cabezal.
La rigidez de la herramienta depende fundamentalmente de su
geometría y su material constructivo, por tanto, el valor de fz (mm) es
una característica tecnológica que ha de ser informada por el fabricante
de herramientas. Así pues, fz y Vc, son las dos características tecnológicas
que determinan el proceso de arranque de viruta, y las dos las determina
la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).
El avance por diente es directamente proporcional al avance de
mecanizado (F) e inversamente proporcional a la velocidad angular del
cabezal (S) como se indica en la ecuación 3.3, donde z es el número de
dientes de la herramienta.
Con esta relación vemos que, para una fz determinada para la
herramienta y con la velocidad angular del cabezal cada vez mayor
gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de
aumentar en la misma proporción. Y prosiguiendo con los mismos
ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 según:
| Material | Z | Herramienta mínimo | Velocidad (S) | Avance por diente
(fz) | Avance de trabajo (F) |
Aeronáutica: piezas de estructuras | Aluminio | 3 | 15 | 25.500 | 0,25 |
19.125 |
Moldes de inyección plásticos | Acero DIN 1.2344 | 2 | 1 | 70.000 | 0,05
| 7.000 |
Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 3 | Ø 10 | 1.900 | 0,2 |
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1.140 |
Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente |
Se observa también en esta tabla, como en la Tabla 1, que la variación de
resultados, en este caso de F, es enorme. De todas maneras, el dato más
interesante es que en el mecanizado de alta velocidad (de corte) también
los avances han de aumentar, y este factor es más importante que la
velocidad angular del cabezal porque afecta de forma directa la dinámica
de los ejes coordenados y por tanto a la estructura de la máquina. Es de
vital importancia entender que una fresadora de alta velocidad no es una
fresadora convencional de control numérico con un cabezal de elevada
velocidad de rotación.
La tabla 2 evidencia que la máquina de alta velocidad ha de ser
concebida desde un inicio de forma diferente.
2.3. Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal
removal rate”) y potencia del cabezal
El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal
removal rate”) se mide en cm3/min y tiene relación directa con la
potencia que necesita el cabezal para arrancar este material según la
ecuación:
| Ecuación 1 |
donde:
Ps = potencia necesaria en la punta del cabezal
MRp = constante que define la cantidad de material desalojado por
unidad de potencia (cm3/min/kW)
El factor MRp depende de la geometría, el estado de la herramienta y del
material. Siguiendo con los ejemplos del apartado anterior se obtienen
las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencia necesaria en
el cabezal:
| Material | Avance de trabajo (F) | Ae | Ap | MRR | MRp | Ps |
Aeronáutica: piezas estructuras | Aluminio | 19.125 | 15 | 15 | 4303 |
71,4 | 60,2 |
Moldes inyección plástico | Acero DIN 1.2344 | 7.000 | 0,4 | 0,04 | 0,112
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| 14,7 | 0,008 |
Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 1.140 | 6 | 5 | 34,2 | 20 |
1,8 |
|
Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello
De nuevo se observa que las potencias necesarias en la punta del cabezal
difieren mucho entre las distintas aplicaciones.
2.4. Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte
Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente,
la reducción del tiempo del proceso de mecanizado. Hasta ahora se ha
visto el mismo proceso tecnológico, pero en el proceso total de
fabricación de una pieza intervienen otros tiempos donde la máquina no
“elimina material”, que pueden ser denominados tiempo de no-corte (del
inglés: “non-cutting time”). Este incluye los tiempos de carga y descarga
de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vacío de los ejes y
aceleración y desaceleración del cabezal.
Todos estos factores son más importantes cuanto menores sean los
tiempos de mecanizado. Esta relación de “tiempo de corte” / ”tiempo de
no-corte” determina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte
en una máquina.
Por ejemplo, en un molde donde el tiempo de mecanizado de una pieza
mediana (ie: carcasa de un teléfono) es de 20 o 30 horas, los tiempos
perdidos por carga y centrado de pieza (15 min), cambios de
herramienta, etc., son prácticamente despreciables y por tanto no serán
valores muy importantes. En cambio, en el mecanizado de una pieza de
prefundición de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar
son muy pequeños y la cantidad de herramientas es grande para la
especialización de las mismas, los tiempos sumados de no-corte pueden
llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, la
reducción de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la
reducción del tiempo de mecanizado.
En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a
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la producción de piezas en serie tienen en cuenta las siguientes
características.
2.5.1. Aceleración / desaceleración del cabezal
Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo
más rápidamente posible.
Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo
sólo 2 o 3 segundos si se utilizan condiciones de alta velocidad (S=15.000
rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajo
supusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad
el rendimiento del proceso sería extremadamente pobre. En el apartado
2 se verá que este factor afectará a menudo el diseño del tamaño de los
rodamientos del cabezal.
2.5.2. Tiempo de cambio de herramienta
En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la
acción que más hace aumentar el tiempo de no-corte. Por este motivo,
los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado sistemas de
muchos tipos para reducirlo.
En algunos diseños de máquina el cambio de herramienta determina
hasta la configuración de los ejes, y se sacrifican otros factores
importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de
ineficacia. En el apartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuesta
2.5.3. Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes
Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los
tiempos de posicionamiento. En las piezas donde hay muchos procesos
de agujereado, roscado, etc, los tiempos de posicionamiento son muy
importantes. Los avances en rápido no son los únicos responsables de
minimizar estos tiempos.
Las piezas de producción son a menudo de dimensiones reducidas, y los
posicionamientos de operación a operación son de menos de 100mm. Si
la velocidad máxima de la máquina es de 50 m/min pero se necesitan
400 mm para conseguir esta velocidad, la solución es inválida. Por tanto
las aceleraciones son muy importantes y, por ello, a menudo los datos
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son dados en tiempos requeridos para posicionamientos de ciertas
dimensiones.
La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma
vital en el diseño de los sistemas de accionamiento, guías, y estructura de
la máquina para conseguir dinámicas muy interesantes . Pensamos que
en las máquinas de producción se puede hablar de velocidades
superiores a los 50 m/min y aceleraciones superiores a 1G.
Otra consideración tienen los ejes rotativos que están a menudo aparte
de los tiempos de posicionamiento, y requieren tiempos de
enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas
al mecanizado. Muchas piezas de éstas son tan importantes como las de
posicionamiento de los ejes coordinados.
2.5.4. Tiempo de cambio de palet
En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se
minimizan utilizando cambios de palet (o tabla) para poder hacer la
preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una estación
externa. Entonces el único tiempo que provoca no-deficiencia es el
tiempo de cambio de palet. Este tiempo depende evidentemente de la
carga del palet, pero por lo general es de segundos.
2.5. Estabilidad térmica
Hasta ahora se han comentado características tecnológicas que afectan
directamente a alguno de los elementos de la máquina-herramienta: la
Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo de la
máquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en común intentar
reducir el tiempo de proceso o minimizar los tiempos de no-corte, y por
tanto se necesita además potencia en los sistemas de accionamientos.
Desgraciadamente esta potencia extra también provoca cantidad de
calor extra que puede provocar reducciones en la vida de los elementos
mecánicos, así como falta de precisión. Por ello es de vital importancia
extraer el calor generado en las máquinas de alta velocidad.
Evidentemente cada día se construyen sistemas más eficientes donde las
pérdidas de calor se minimizan, pero estos avances afectan más a los
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sistemas electrónicos que a los mecánicos, donde la fricción y las fuerzas
de inercia siempre suponen generación calorífica.
Se verá en los siguientes apartados que la generación de calor afecta a
todos los sistemas mecánicos.
2.6.5. Cabezal
En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades
de corte es necesario aumentar la velocidad de angular de los cabezales.
Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -que tendrá
también que girar a más revoluciones - o al sistema de transmisión, que
tendrá que multiplicar aún más las revoluciones del motor - afrontando
graves problemas de equilibrado y vibraciones.
También afecta directamente a la composición, naturaleza y tamaño de
los rodamientos del propio cabezal que deberán ser dimensionados de
acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que deben
desarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecánica de los rodamientos
es proporcional a su diámetro, pero un diámetro mayor también provoca
una mayor fuerza centrífuga y generación de calor, reduciendo así la vida
de los rodamientos.
Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el
proceso de mecanizado y una vida útil razonable supone un compromiso
de diseño, que comprometerá, en muchos casos, la necesidad de
refrigeración de los rodamientos con sistemas complejos.
Aparte del problema mecánico, la generación de calor hacia el cabezal
afecta directamente a la precisión del eje Z de la máquina.
Inexorablemente, el calentamiento del cabezal compromete el
alargamiento del mismo. El intento de control de este alargamiento es
vital en procesos de mecanizado donde buscamos precisiones en el eje Z
de menos de 0,010 mm (como en moldes de inyección de plástico de
precisión) y supone uno de los campos de estudio más importante para
los ingenieros de diseño de la máquina-herramienta.
2.6.6. Sistema de accionamentos
El sistema de accionamientos resulta también afectado para la
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generación de calor. Para conseguir velocidades más altas se aumentará
el paso del husillo de bolas, requiriendo a la vez una potencia superior
del motor. Este entonces genera más calor de lo normal (aunque los
servomotores sin escobillas tienen eficiencias muy elevadas) que se
pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la máquina.
Pero el elemento más crítico es el husillo de bolas. Este se calienta por el
calor generado en la hembra aunque se trate básicamente de un proceso
de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas y hembra.
Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas
afectando su vida y la precisión dimensional de la máquina.
2.6.7. Estructura
La estructura es un elemento estático, pero también puede recibir calor
procedente de diversas fuentes. Una de ellas es el calor generado en los
accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conducción a
la estructura, por lo que tendremos que aislarla. Otras fuentes
importantes de calor pueden ser las externas, como la temperatura
ambiente o los rayos solares.
Estos factores no se tienen a menudo en cuenta, pero pueden afectar
tanto a la precisión como a las fuentes internas de la máquina.
Por último, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el
mismo proceso de corte. El mecanizado de alta velocidad basa la
protección de la herramienta en que parte del calor generado en el corte
se lo lleve la viruta. Además muchas veces el corte se ha de hacer con
emulsiones refrigerantes que se llevan también gran cantidad de calor.
Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto
directo con la parte de la estructura de la máquina que configura el área
de trabajo, transmitiendo también el calor recibido para conducción.
2.6. Rigidez – amortiguación
La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformación sobre una
carga. Podemos hablar de rigidez estática si el cuerpo recibe la carga
constante y de rigidez dinámica si la naturaleza de la carga se frecuencia.
En una máquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por
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tanto los elementos constructivos de la misma han de tener en cuenta
las dos.
Las cargas constantes son fundamentalmente la misma estructura y el
peso de la pieza a mecanizar y sistemas de utillajes. También en menor
medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporciones de
diseño de las partes estáticas y móviles de la estructura han de asegurar
una alta rigidez pero, además, tienen que poder dar una buena
respuesta dinámica.
Las cargas dinámicas son las debidas principalmente al proceso de corte.
Pensamos que a las máquinas de alta velocidad las revoluciones del
cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm lo
que supone, teniendo en cuenta que un herramienta integral tiene
habitualmente 2 labios, una frecuencia de:
f = (40.000/60)·2 = 1333 Hz.
Es importante a la hora de diseñar las características estructurales de
una máquina alejar lo más posible la frecuencia natural de las
frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que,
comportan a menudo, roturas de herramienta y acabados superficiales
muy pobres.
La amortiguación es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones.
Esta absorción de vibraciones se hace mediante fuerzas de fregamiento.
Estas fuerzas pueden ser fuerzas de fregamiento seco (o Coulomb) entre
dos sólidos del sistema, fuerzas de fregamiento de un cuerpo en un
fluido o fuerzas producidas para el fregamiento interno entre las
moléculas de un cuerpo que se deforma (elasticidad).
En una máquina-herramienta es la absorción de energía vibratoria la que
produce mayoritariamente las deformaciones de la estructura y de los
elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales se deforman,
los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la
precarga. La amortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto
hace que los parámetros de diseño de los elementos constructivos
siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.
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Vale la pena profundizar un poco más en las consecuencias físicas de
esta dicotomía. Si simplificamos a 1 variable y en 1 elemento toda la
estructura de la máquina, podemos considerar que la rigidez de toda la
cadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de
rigidez “k” donde:
| Ecuación 2 |
Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las
vibraciones podemos modelarlos como un fregamiento viscoso con
constante de amortiguación “c” donde:
| Ecuación 3 |
p>La propia masa de la estructura responde a la ecuación:
| Ecuación 4 |
Y finalmente la acción de la herramienta se puede modelar como una
fuerza periódica de la forma:
| Ecuación 5 |
De esta manera la ecuación dinámica del sistema es:
| Ecuación 6 |
La solución general de esta ecuación diferencial se obtiene sumando su
solución particular con la solución general de la ecuación homogénea.
Esta última modela la respuesta a un único impulso de vibración. Tiene
tres soluciones dependiendo si el valor de la constante de amortiguación
es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente crítico de
amortiguación “cc”.
| Ecuación 7 |
donde p es la frecuencia angular de la vibración no amortiguada (o sea la
frecuencia en el caso que c fuese 0) también llamada frecuencia natural
del sistema. Esta frecuencia depende nada más de m y k y es por tanto
una característica propia del sistema.
Así pues:
1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobreamortiguación, y la
solución general es:
| Ecuación 8 |
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donde λ1 y λ2 son soluciones reales de la ecuación homogénea. La
solución corresponde a un movimiento no vibratorio, donde el sistema
vuelve a su estado después de un tiempo.
2. Si c=cc se produce la amortiguación crítica y la solución general es:
| Ecuación 9 |
Esta solución tampoco es vibratoria y hace volver al sistema a su estado
inicial en el mínimo tiempo posible.
3. Si cc la solución es una ecuación del tipo:
| Ecuación 10 |
donde:
| Ecuación 11 |
que es la frecuencia angular de la vibración amortiguada. Nótese que
siempre, cuando c>0, q es más grande que la frecuencia de la vibración
no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguación.
Esta solución representa un movimiento vibratorio con amplitud
decreciente que se amortigua más deprisa cuanto más parecido sea c a
cc y que el extremo no se amortiguara si c fuese 0 (movimiento
vibratorio).
|
Fig. 1.- Amortiguación |
La solución particular, por su parte, es de la forma:
| Ecuación 12 |
donde:
| Ecuación 13 |
y:
| Ecuación 14 |
La relación xm / Fm/k se llama factor de amplificación, y se expresa en
relación a 2 factores:
* ω/p, que representa la relación entre la frecuencia de la fuerza aplicada
(en este caso la frecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural
del sistema
* c/cc, que ya ha sido denominado llamado factor de amortiguación
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Dibujando un gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p
y c/cc (figura 2) se observa que si ω=p la máquina entra en resonancia.
Esta situación es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones que
producen roturas de herramientas y acabados superficiales muy
degenerados.
|
Fig. 2.- Gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc |
Para evitar este efecto podemos:
* Aumentar el factor de amortiguación c acercándolo a cc para reducir el
efecto de amplificación.
* Diseñar la máquina para que la frecuencia natural p se aleje de las
frecuencias de trabajo. Notamos que la frecuencia natural p aumenta
con la rigidez y disminuye con el peso. Estos dos factores serán claves
para el diseño de las máquinas y de las frecuencias naturales.
Este análisis es mucho más complejo en la realidad. Existen múltiples
frecuencias naturales para cada sistema también en diferentes
direcciones. En general, las frecuencias naturales se comprueban
experimentalmente después de fabricar la máquina.
Lo más importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y
la amortiguación de la máquina con el fin de conseguir máquinas
precisas y con buena respuesta que, además amortigüen, las vibraciones
de corte.
2. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MÁQUINA-
HERRAMIENTA
Sabiendo lo que se necesita para tener una máquina de alta velocidad.
En este capítulo se intenta explicar que formas se puede conseguir.
Este apartado limitará al estudio de los centros de mecanizado tanto
verticales como horizontales de 3 ejes.
3.7. Materiales de construcción
Básicamente las estructuras y elementos de las máquinas se han hecho
siempre de fundición gris, con todas sus variantes de composición y por
tanto de calidad. Hoy en día existen los materiales polímeros que
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mejoran algunas características de la fundición.
Para producciones reducidas, se utilizan estructuras soldadas que
eventualmente se pueden llenar de hormigón y algunos elementos de la
máquina pueden estar hechos con materiales como el aluminio para
disminuir el peso y mejorar así la respuesta dinámica. Intentamos en
este apartado analizar las ventajas y los inconvenientes de todas estas
soluciones.
3.8.8. Fundición
La fundición gris es el material más utilizado en la construcción de
estructuras y elementos de las máquinas herramienta. De las diferentes
composiciones la más utilizada es la meehanita.
La fundición ofrece la posibilidad de conformar el material mediante
unas estructuras de madera que imitan la forma final del elemento de
fundición en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta
formando lo que será el molde de la fundición. Se extraen entonces las
maderas interiores y se llena de la fundición. Una vez la fundición se
solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y
limpiando la superficie.
La fundición entonces pasa a una fase de estabilización necesaria para
que una vez el elemento de la estructura esté montado su deformación
sea mínima. Esta fase de estabilización es muy importante en cuanto
más precisión necesita la máquina.
La empresa americana Moore, líder en fabricación de rectificadores en
coordenadas de alta precisión, hace descansar las estructuras de
fundición más de un año al aire libre para estabilizarlas. Además
mantiene una política de recuperación de las estructuras con sus clientes
que le hace fabricar nuevas máquinas con tecnología de control
numérico y electrónica de última generación aprovechando la estructura
de una máquina con 10, 15 o 20 años. Después de todo este tiempo la
estabilidad de la estructura está más asegurada.
Los elementos de fundición son posteriormente mecanizado s para
conformar las zonas de unión entre los diferentes elementos
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estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos.
La maquinabilidad de la fundición hace fáciles estas operaciones.
3.8.9. Estructuras soldadas
La solución de la fundición es demasiado cara para la construcción de
máquinas especiales de más baja producción para la amortización de los
moldes de fundición. En estos casos se elige una solución constructiva a
base de elementos de acero soldados. El diseño y fabricación de las
estructuras se transforma entonces en simple y flexible.
Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables
en máquinas de precisión. La estabilidad y predicción de los elementos
soldados bajo cargas mecánicas y térmicas son difíciles debido a la
presencia de las soldaduras. Estas son de difícil ejecución y los elementos
son, en consecuencia, heterogéneos. Todo esto hace que las flexiones y
torsiones mecánicas o térmicas sean muy superiores a las de la
fundición.
Además, la amortiguación a las vibraciones de estas estructuras es muy
pequeña por estar constituida, fundamentalmente, por elementos de
acero. Esto limita la aplicación de estas estructuras en procesos de
desbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan
ser amortiguadas para asegurar la estabilidad del proceso.
Una solución parcial al problema de la baja amortiguación es llenar las
estructuras de acero soldado con hormigón. Esto le da capacidad de
amortiguación. Es importante mantener siempre el contacto entre el
acero y el hormigón para no perder capacidad de amortiguación. Se
utilizan en estos casos aceros con relieve (al estilo de las barras de
construcción para el hormigón armado) y se intenta vibrar el hormigón
para que llene perfectamente todo los volúmenes, aumentando así la
zona de contacto acero-hormigón.
En esta solución la estabilidad térmica es fundamental, por el hecho de
que el acero y el hormigón tienen coeficientes de expansión térmica
diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorción de
vibraciones puede ser también distinta.
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3.8.10. Materiales políméricos
Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.
Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de
la máquina-herramienta. La ventaja fundamental respecto a la fundición
es su capacidad de absorción de vibraciones, que es unas 10 veces
superior. A continuación se presenta un gráfico que compara esta
característica en la fundición y en un material bastante novedoso
denominado “Metalquartz”:
| |
Figs. 3 y 4.- Absorción de las vibraciones de la fundición (izquierda) y del
“Metalquartz” (derecha) |
Esta característica hace que este material sea ideal para bases o
bancadas de máquina. Sus características elásticas y resistentes no lo
hacen, pero no es aconsejable para la construcción de elementos
sometidos a altas cargas de compresión, tracción y flexión. A
continuación se presenta una tabla con las propiedades mecánicas de
este material comparado con las de la fundición gris.
Propiedades | Fundición gris | Polímero |
Módulo de elasticidad E (kg/mm2) | 12.600 | 4.200 |
Resistencia a la tracción (kg/mm2) | 35 | 2,5 |
Resistencia a la compresión (kg/mm2) | 105 | 13 |
Coeficiente de dilatación térmica (µm/Km) | 12 | 12,1 |
Conductividad térmica (W/Km) | 2.286 | 160 |
Densidad (g/cm3) | 7,2 | 2,3 |
Amortiguación | Normal | Muy alto |
Maquinabilidad | Normal | Baja |
Tabla 4.- Propiedades mecánicas del Metalquartz comparadas con las de
la fundición gris |
Véase que, en elementos con esfuerzos, la fundición sigue siendo el
material con más garantías.
Hay que destacar el coeficiente térmico de expansión, ya que en los
materiales políméricos es prácticamente idéntico al de la fundición. Esta
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característica evita problemas mecánicos y de precisión en las uniones
fundición-polímero, lo que hace a los materiales políméricos ideales para
ser combinados con la fundición y dar así más capacidad de absorción de
vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra un ejemplo
de una base de una máquina hecha con polímero.
|
Fig. 5.- Base de una máquina tipo puente construida con material
polimérico |
3.8. Estructura
La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y
amortiguación a las vibraciones, a la vez que condiciona la precisión y la
estabilidad térmica. Además ha de facilitar la carga y descarga de la
pieza, en aras de la ergonomía para el operador.
3.9.11. Parámetros de diseño
Las máquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado,
requieren de una gran rigidez y una elevada respuesta dinámica.
La rigidez es función de los materiales utilizados en la construcción, de la
estructura interna o de los enervados de los elementos constructivos y
de las dimensiones de los carros.
De los materiales de construcción se ha hablado anteriormente.
Suponiendo el material de fundición gris, la estructura interna de los
elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios
que lo conforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el
peso, siempre importante para la respuesta dinámica, y el por precio/kg
de la fundición. Estas estructuras enervadas se diseñan con la ayuda de
métodos de elementos finitos.
|
Fig. 6.- Resultado del diseño FEM de la base de una máquina |
En las dimensiones de diseño es importante evitar al máximo los
voladizos, con las dimensiones máximas de guía, y las mínimas distancias
entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de
trabajo. Los problemas de rigidez más importantes en una máquina-
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herramienta son debidos a los esfuerzos de flexión o torsión, más que a
los de compresión o tracción.
En un voladizo, una de las unidireccionales rígidas es proporcional a:
| Ecuación 15 |
donde L es la dimensión del voladizo o, en el caso de la estructura, lleva
cabezal de un centro de mecanizado tipo C, la distancia entre las guías
del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre las guías.
Análogamente para las demás dimensiones:
| Ecuación 16 |
| Ecuación 17 |
donde H es la dimensión de la zona guiada. Estas consideraciones se
pueden comprobar en la figura 7.
|
Fig. 7.- Carro porta-cabezal de un centro de mecanizado tipo C |
Nótese por tanto que, para hacer la estructura más rígida, es preciso
minimizar L y maximizar H y A. Estas consideraciones se pueden hacer
sobre todos los demás elementos estructurales de la máquina, con los
mismos resultados pero diferentes conceptos.
3.9.12. Guías
Los componentes de guía son fundamentales en la dicotomía rigidez-
amortiguación de una máquina.
Las guías son el único elemento de discontinuidad en el sistema
estructural de la máquina y, por tanto, suponen uno de los puntos
débiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad
puede dotar al sistema de una capacidad de absorción de las vibraciones
importante. El sistema de guías determina, en parte, las aplicaciones de
la máquina-herramienta.
Básicamente, las guías pueden ser de tres tipos: guías de fricción
hidrodinámicas, guías de rodadura y guías de fricción hidrostáticas.
3.9.13.1. Guías de fricción hidrodinámicas
Las guías de fricción hidrodinámicas eran las únicas guías comúnmente
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utilizadas hasta hace 10 años. Se trata de dos superficies planas o
inclinadas, rectificadas y tratadas térmicamente para aumentar la dureza
superficial, que incorporan una película intermedia de aceite para
mejorar el deslizamiento. Las superficies pueden ser rasqueteadas
dependiendo de la precisión geométrica requerida, y una de las
superficies lleva un recubrimiento de “Turcite” para disminuir el
deslizamiento y mecanizar los conductos de aceite (figura 8).
|
Fig. 8.- Proceso de rasqueteo en una guía con Turcite |
Estas guías se ajustan mediante planos inclinados que acercan o separan
las superficies. Con el desgaste estos planos inclinados pueden
reajustarse, pero las guías hidrodinámicas tienen una vida limitada a 10-
12 años, después de los cuales se tendrían que volver a rasquetear las
superficies.
Estas guías presentan una buena absorción de las vibraciones para la
película de aceite, y el coeficiente de amortiguación es proporcional a la
superficie de contacto. Esta característica las hace ideales para
aplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en aplicaciones
donde el acabado superficial es crítico. Un buen ejemplo seria la
máquina de la figura 9, que se utiliza básicamente para hacer grandes
esfuerzos de corte.
|
Fig. 9.- Estructura de un centro de mecanizado vertical tipo C utilizado
para hacer grandes desbastes |
Se presentan algunos problemas con estas guías. El cizallamiento del
aceite produce resistencia al movimiento, por lo que es necesario un
motor más grande que con otros sistemas para conseguir las mismas
aceleraciones y movimientos en rápido.
Además, se produce un efecto de “stick-slip” debido a la diferencia de
valor del coeficiente estático y dinámico de fricción. Cuando la máquina
se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la fricción del
sistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se
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producen constantes cambios de sentido en los ejes, ya que se presenta
una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza a
moverse y después de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip” o
pegar-deslizar. Este efecto no favorece, en principio, a las máquinas que
deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.
3.9.13.2. Guías de rodadura
Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento
de bolas. El elemento fijo monta unas guías rectificadas con unas
superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un
circuito contenido en un bloque precargado y que se fija al elemento
móvil de la máquina. Para cada guía se monta un mínimo de dos
bloques. Cuanto más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá
que montar. Estas guías no necesitan ajuste, y su vida es
presumiblemente mayor que la de las guías hidrodinámicas, si bien no se
dispone todavía de valores estadísticos suficientes para asegurarlo.
| |
Figs. 10 y 11.- Sección de una guía de rodadura con cilindros de la marca
IKO (izquierda) y una guía de rodadura de bolas montada al carro de una
máquina horizontal de la marca THK (derecha) |
Las guías de rodadura presentan una mayor rigidez que las guías
hidrodinámicas del mismo tamaño, pero la capacidad de absorción de las
vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de fricción es mucho más
bajo y, por tanto, se pueden conseguir respuestas dinámicas mucho más
cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.
Estas guías son hoy en día la solución casi exclusiva a las máquinas de
producción que requieren aceleraciones y velocidades muy elevadas
para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo se muestra
el centro de mecanizado vertical de la fotografía siguiente. Este centro
tiene movimientos en rápido de 40 m/min, y está destinado básicamente
a la producción de pequeñas piezas de aluminio prefundido.
|
Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la
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producción de piezas. Todas las guías son de rodadura |
3.9. Ejes
La cadena cinemática de los ejes está formada por el soporte del motor,
la unión motor-husillo, los rodamientos de soporte del husillo a bolas, el
mismo husillo de bolas y la unión con el carro del eje. Este sistema
determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión de
posicionamiento, junto al servomotor de mando y el sistema de
captación de posición.
3.10.13. Uniones
Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque
son las primeras en transmitir el par del motor. Las uniones pueden ser
básicamente directas o indirectas.
3.10.14.3. Uniones indirectas
Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el
motor y el husillo a bolas. Esta solución se adopta básicamente para
problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar el
par o la velocidad de salida del motor con una proporción reductora o
multiplicadora respectivamente.
Esta solución no es recomendable en una máquina de alta velocidad,
porque la transmisión a correa rebaja la rigidez del sistema debido a la
elasticidad de la correa y, especialmente, a frecuencias de trabajo altas.
Además también afecta a la precisión del eje, si bien el error cometido
depende mucho del montaje del sistema de medida, como ya sabemos
de un capítulo anterior.
La ventaja más importante de estos montajes es el aislamiento térmico
del motor, cosa que evita evacuar con tanta urgencia el calor que genera.
3.10.14.4. Uniones directas
Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos
del husillo y del eje del motor. Estas uniones pueden tener diferentes
grados de rigidez.
Las uniones más rígidas son simplemente una pieza sólida de acero.
Éstas proporcionan mucha precisión, pero obligan a un montaje muy
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preciso porque no absorben ninguna desalineación de los ejes motor y
husillo. Esta desalineación crea un esfuerzo cíclico, que puede producir la
rotura de alguno de los ejes por fatiga.
Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan
cierta flexibilidad radial y axial, pero en cambio tienen mucha rigidez
torsional. Éstas son, sin duda, las más utilizadas en las máquinas de alta
velocidad.
|
Fig. 13.- Zona de unión del eje |
3.10.14. Husillo de bolas
Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento
rotativo del motor en movimiento lineal de la hembra del husillo. En la
rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por
la hembra. Ésta suele ser doble con moldes intermedios que compensan
la holgura con las pistas del husillo.
El paso del husillo es un elemento básico de diseño que determinará el
par necesaria para mover determinada carga y la velocidad máxima
lineal, dada una velocidad máxima angular del motor. La aplicación de la
máquina influirá entonces en la determinación de este parámetro.
La precisión del rectificado del husillo puede influir en la precisión del eje,
especialmente si se utilizan sistemas de medida rotativos. Esta precisión
se especifica con el grado C del husillo.
La rigidez del husillo de bolas es determinada por su geometría
(diámetro, longitud) pero también por el sistema de fijación del husillo en
sus extremos. La rigidez es proporcional a:
| Ecuación 18 |
Donde E es el módulo de elasticidad del acero, I la inercia del husillo
(=πØ2/64), L su longitud y α un factor que depende del sistema de
fijación del husillo.
Básicamente uno de los extremos del husillo puede estar:
* Libre: o sin ningún soporte.
* Soportado: con un rodamiento radial que lo fija radialmente pero lo
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deja libre axialmente.
* Fijo: con un juego de 2 o más rodamientos angulares en oposición que
lo fijan radial y axialmente.
En general, las soluciones a las máquinas de alta velocidad son extremos
fijo-soportado o fijo-fijo (extremo del motor en primer plano). El factor α
para estas soluciones es 2 y 4. La solución fijo-fijo es por tanto la mejor
cuando se requiere una gran rigidez.
La fórmula anterior también indica que la esbeltez (L/D) del husillo es
fundamental a la hora de calcular su rigidez. Pensemos que el diámetro
no se puede aumentar indiscriminadamente, porque en los montajes
horizontales un peso excesivo hace tambalear el husillo lo que puede
provocar vibraciones al sistema por la rotación de la masa
desequilibrada.
3.10. Cabezal
El cabezal es el corazón de la máquina-herramienta. El diseño de la
máquina depende de la capacidad del cabezal, o sea de la velocidad
angular máxima, la potencia, y el par que necesitamos desarrollar para
una aplicación determinada. Como ya se ha visto en el apartado 1, el
diseño del cabezal es un continuo compromiso entre las características
funcionales y la vida y coste del mismo.
La rigidez de un cabezal depende fundamentalmente del tamaño,
precarga y tipo del rodamiento utilizado. Por tanto hay que estudiar con
detalle las opciones que ofrece el mercado con el fin de obtener el mejor
rendimiento en la aplicación sometida a estudio. Para aplicaciones de
taladrado y roscado habrá que optimizar la rigidez axial, mientras que
para las operaciones de fresado es más importante la rigidez radial. La
rigidez, por tanto, es determinada por la aplicación y potencia que se
desee desarrollar.
La vida del cabezal se calcula mediante el número DN. Este número tiene
un valor funcional que se determina mediante:
| Ecuación 19 |
O sea que depende de la rigidez y de la velocidad que se desee obtener.
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Para que la vida de los rodamientos sea adecuada, este número ha de
ser menor al valor DNconstructivo, que se determina según el tipo de
jaula, tipos de bola, precisión y lubricación del cabezal. Por tanto:
| Ecuación 20 |
Por tanto, dada una aplicación y las características del rodamiento, las
revoluciones máximas del cabezal dependen fundamentalmente del tipo
de lubricación de sus rodamientos.
Lo más importante de la relación DNfuncional es que ejemplariza la
dicotomía entre la velocidad y la potencia del cabezal. Veremos cómo los
requerimientos de las aplicaciones son casi siempre imposibles de
diseñar con un coste razonable y, por tanto, la capacidad de la máquina
está también casi siempre limitada por las características del cabezal.
Antes de hablar de los diferentes tipos de cabezal es preciso desarrollar
algunas consideraciones que determinarán el uso de los mismos.
3.11.15. Rodamientos
Las características mecánicas de un cabezal están determinadas por las
de los rodamientos.
No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la
precarga con los que los rodamientos sean montados. En la parte frontal
del cabezal se montan en oposición uno o más pares de rodamientos de
bolas de contacto angular (normalmente 30º) precargados. Estos tendrán
que situarse lo más cerca posible de la zona de corte, dado que son los
que soportan toda la carga.
En la parte de atrás, en cambio, se montan rodamientos de bolas o
cilíndricos radiales, que permiten un cierto movimiento axial cuando se
alarga el rotor para el incremento de temperatura. En la figura 14 se
muestra un ejemplo de cabezal para máquina-herramienta. La
transmisión de potencia se hace mediante rueda dentada (en color verde
en el gráfico).
Los materiales utilizados en la construcción del cabezal también son
importantes. La solución clásica se compone del cabezal con jaula y bolas
de acero, mientras que más modernamente se montan rodamientos
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híbridos que se componen de jaula de acero y bolas de nitruro de silicio.
Estas nuevas bolas mejoran las características según las siguientes
características:
* Mayor módulo de elasticidad E: La deformación de las bolas bajo carga
es menor que en las bolas de acero por lo que mejoraremos la rigidez del
cabezal.
* Más dureza: Las bolas de nitruro de silicio se desgastan menos,
disminuyendo a la vez las partículas de contaminación que se
desprenden de su superficie y aumentando por tanto la vida del
rodamiento.
* Menor coeficiente de dilatación térmica: que estabiliza el tamaño y por
tanto la precarga del rodamiento cuando aumenta la temperatura del
cabezal. Un exceso de precarga puede producir el fallo prematuro de los
rodamientos.
* Menor masa: La densidad específica del nitruro de silicio es menor que
la del acero. Así disminuyen las fuerzas centrífugas que generan las bolas
contra la jaula exterior disminuyendo también la generación de calor.
Otra solución es la adopción de bolas de acero pero de tamaño más
pequeño. Estas disminuyen la rigidez total del rodamiento.
|
Fig. 14.- Montaje típico de un cabezal de transmisión para engranajes |
Todas estas consideraciones permiten afirmar que los rodamientos
híbridos tienen una mejor relación potencia / revoluciones. Pero estos
rodamientos son más frágiles y tienen, por tanto, más posibilidades de
destrucción instantánea que los rodamientos de bolas de acero,
especialmente en aplicaciones donde los esfuerzos de corte más se
parecen a percusiones.
3.11.16. Método de lubricación
El método de lubricación es, como se comprueba en la relación DN,
decisivo a la hora de diseñar un cabezal. Para un cabezal de revoluciones
determinadas, el tamaño de los rodamientos, y por tanto su rigidez,
viene determinada por la lubricación de los mismos.
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Para todas las aplicaciones de mecanizado convencional, y para las
aplicaciones de alta velocidad donde las exigencias de velocidad angular
del cabezal sean pequeñas, la lubricación con grasa es suficiente. Esta
lubricación es permanente, y por tanto sólo se realiza en el montaje de
los rodamientos. Proporciona una gran fiabilidad, sencillez de
construcción y un bajo coste de producción. Este es por tanto el método
que se aplica siempre que las condiciones de velocidad lo permitan.
La limitación del sistema es que, si se genera mucho calor, la grasa puede
llegar a licuarse y desprenderse de las superficies lubricadas. Bajo estas
condiciones la vida del rodamiento se reduce inmediatamente,
produciéndose un fallo prematuro.
Si la aplicación de grasa no es suficiente entonces se utiliza lubricación
aire-aceite. Ésta consiste en la aplicación de aceite lubricante vaporizado
en aire, que es el vehículo de transporte del aceite. Esta vaporización de
aceite se realiza directamente a las jaulas de los rodamientos. El sistema
permite llegar a valores de DNconstructivo del orden del 20 al 30% más
grandes que con la grasa permanente, y por tanto aumentar la velocidad
angular máxima del cabezal en la misma proporción.
Este sistema es mucho más caro y menos fiable que el anterior. Hay que
diseñar y construir conductos, mezcladores aire-aceite y colectores de
para evitar que éste se riegue por el frente del cabezal. Además, puesto
que se hace trabajar los rodamientos a un 20-30% más de su limitación
de velocidad, si algunos de estos sistemas deja de funcionar el fallo es
inmediato. Por tanto, hay que utilizar sistemas sensoriales de control que
todavía hacen más cara la aplicación y reducen inexorablemente la
fiabilidad del cabezal.
Se han desarrollado otros sistemas con tal de mejorar la relación
potencia / revoluciones en aplicaciones de alta velocidad. En el apartado
3 se hablará de uno de ellos.
3.11.17. Generación de calor
El calor es la principal causa de fallo de los cabezales de alta velocidad, y
es uno de los puntos de estudio más importantes en el desarrollo futuro
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de los centros de mecanizado de alta velocidad. En el apartado 2.6 se
realiza un estudio más profundo de la generación, los problemas y la
evacuación del calor en el cabezal.
3.11.18. Fuerza de sujeción
La rigidez del cabezal no se podría valorar por completo si no se tuviesen
en cuenta los tipos de interfase con la herramienta de corte y su
sujeción. La rigidez del conjunto herramienta-portaherramienta-cabezal
determinará la capacidad de corte del cabezal.
En el mecanizado tradicional se han utilizado casi siempre fijaciones BT (o
similares) para fijar el portaherramientas al cabezal. En el mecanizado de
alta velocidad de más de 12.000-15.000 rpm, o en aquéllas donde los
esfuerzos de corte son muy grandes, es necesario instalar un sistema
HSK.
A modo de ejemplo, pensemos que la fuerza de sujeción que se puede
aplicar a una interfase BT-40 es, como máximo, de 10kN, mientras que a
una interfase HSK-A63 equivalente es de 18kN. La rigidez del sistema
será por tanto casi el doble.
En la figura 15 se muestra un gráfico comparativo de las interfases BT50
(o ISO50) y HSK-A100, y en la tabla 5 se comparan ambos sistemas.
|
Fig. 15.- Esquema comparativo entre una interfase ISO 50 y un HSK-A100
|
| ISO 50 | HSK-A100 |
Rigidez | Normal | 5 veces mayor debido al contacto frontal |
Repetibilidad medida a 180 mm del cabezal | 12 µm | 3 µm |
Longitud de la estructura | 136 mm | 50 mm |
Momento de torsión dinámico | 2500 Nm | 4750 Nm |
Tabla 5.- Comparación de las interfases BT50 (o ISO 50) y HSK-A100 |
Además, es importante señalar que la fijación de estas interfases se hace
mediante una pinza que, en el caso del BT, la toma por fuera y, por tanto,
con la fuerza centrífuga tiende a aflojarse. Mientras que el HSK la toma
por dentro y, en estas mismas condiciones, la fija todavía más fuerte.
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En las figuras 16 y 17 se puede ver el aspecto físico de una sujeción HSK y
un esquema de montaje con la pinza con fijación interior.
|
Fig. 16.- Aspecto físico de un cabezal con interfase HSK |
| |
Fig. 17.- Esquema de un cabezal con interfase HSK-A100 donde se
muestra la pinza de fijación |
|
3.11.19. Tipos de cabezales
Con estas consideraciones se está ya en condiciones de introducirse de
lleno en el estudio de los distintos tipos de cabezales y valorar su
aplicación en diferentes campos de la alta velocidad.
3.11.20.5. Cabezal con transmisión de engranajes
Este tipo de cabezal es la evolución de los antiguos cabezales de motor
continuo, donde la velocidad se controlaba variando la relación de las
poleas de fricción cónicas. Hoy en día, los motores empleados son
motores de inducción con control vectorial - en muchos casos con
feedback de posición - y las transmisiones están realizadas con ruedas
dentadas – y, en general, con dos gamas (figura 18).
|
Fig. 18.- Montaje de cabezal con transmisión de engranajes. El eje azul se
desplaza para hacer el cambio de gamas |
La ventaja de estas transmisiones es su capacidad para multiplicar el par
del motor, a menudo por cuatro. Además, el motor está aislado del
cabezal y, por tanto, es más fácil controlar el calor generado por las dos
unidades separadas.
Los inconvenientes más destacables son la poca eficiencia (70%), el ruido
y las vibraciones generadas en el corte. Además, la velocidad máxima en
punta de herramienta no supera nunca las 8000 rpm.
Este tipo de cabezales son ideales para aplicaciones de alta velocidad
donde hace falta mucha potencia a bajas revoluciones: o sea un gran par.
En algunas condiciones de corte de titanio, por ejemplo, con
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herramientas de diámetros grandes pueden ser necesarios de 1000 a
2000 Nm.
3.11.20.6. Cabezal con transmisión para correas
Esta construcción del cabezal es probablemente la más utilizada hoy en
día en centros de mecanizado convencionales. Es fácil de montar, y por
tanto muy económica. Además, dependiendo de las correas y la relación
de poleas que se instalen, podemos obtener un cabezal con un alto par a
bajas revoluciones o un cabezal con velocidades de hasta a 15.000 rpm
con un nivel de vibraciones y ruido aceptable para muchas aplicaciones.
El inconveniente de estos sistemas es que, precisamente al ser versátil, ni
la potencia a bajas revoluciones es suficiente en las aplicaciones con más
requerimientos de par, ni el nivel de vibraciones a altas revoluciones es
aceptable en aplicaciones donde los acabados superficiales sean críticos.
Además, dependiendo de las correas, se genera bastante calor, que está
sin embargo siempre aislado en el motor y en el cabezal. Pero el punto
más débil del cabezal es el rodamiento de suporte posterior: las correas
ejercen una fuerza radial que limita en mucho casos la vida de este
rodamiento (figura 19).
|
Fig. 19.- Cabezal con transmisión para correas. La fuerza tirante de los
correas puede hacer disminuir la vida de los rodamientos posteriores |
Este cabezal, con mejoras en la transmisión por correas (para reducir el
ruido y las vibraciones) y un montaje con doble rodamiento entre los
cuales se sitúa la polea de transmisión (para evitar el fallo), se utiliza
todavía en muchas máquinas resultado de la evolución de otras
convencionales para hacer mecanizado de alta velocidad.
3.11.20.7. Cabezal con acoplamiento directo
Este tipo de cabezal elimina las vibraciones y los ruidos de las
transmisiones, por lo que se puede llegar a velocidades de hasta a 20.000
rpm con muy buenos acabados superficiales. Como ejemplo podemos
mencionar los centros de mecanizado Yasda modelo YBM de fabricación
japonesa.
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En este montaje el motor debe estar bien equilibrado, y la alineación del
motor y el cabezal ha de ser excelente para evitar desequilibrios que
induzcan fuerzas radiales a los rodamientos posteriores del cabezal. El
fabricante Yasda incorpora además un acoplamiento elástico de
fabricación propia que absorbe las vibraciones del motor.
También hay que tener en cuenta el aislamiento térmico del motor y la
absorción por parte del acoplamiento del posible alargamiento del eje de
éste hacia abajo y las del cabezal hacia arriba. Si no, podrían aparecer
fuerzas En la figura 20 se muestra un cabezal con acoplamiento directo.
|
Fig. 20.- Cabezal con acoplamiento directo. Los circuitos de refrigeración
aíslan el calor del motor del cabezal. |
Con todas estas consideraciones, el precio de estos cabezales es
relativamente bueno, sobre todo respecto al coste de los cabezales
integrados.
3.11.20.8. Cabezal integrado
Éstos son, sin duda alguna, los cabezales más utilizados en las máquinas-
herramienta de alta velocidad del mercado actual.
Este concepto integra el motor dentro de la estructura del cabezal, con el
fin de evitar cualquier tipo de transmisión y, por tanto, reducir al máximo
las vibraciones generadas. En los motores para esta aplicación se venden
el estator y el rotor por separado, con el rotor vacío para integrar los
mecanismos del cabezal. El motor queda en medio de los rodamientos
frontales y posteriores.
Las limitaciones de velocidad de estos cabezales son las de los
rodamientos. Se encuentran ejemplos de todas las velocidades y
potencias. Sus características de vibración son excelentes (menos de 2 µ
pico a pico en muchos casos) y el ruido es mínimo.
Los dos grandes inconvenientes de estos tipos de motor son su precio y
la evacuación del calor generado por el motor.
El precio de compra es elevado por la complejidad del montaje, aunque
cuando se extienda todavía más, los precios de los motores vacíos
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deberían bajar. También es costosa la reparación del cabezal, porque
cuando aparece un problema en el cabezal (rodamientos) o en el motor
la consecuencia es la misma: hay que sustituir todo el conjunto. Esta
característica obliga a los fabricantes a tener un servicio de reposición de
estos cabezales eficaz, extenso y por tanto caro.
Con respecto al calor, en este cabezal, además de extraer el calor de la
parte exterior de los cabezales, hay que extraer el calor del estator del
motor, aumentando la potencia refrigeradora y haciendo los circuitos
más complejos. Además, en los cabezales de inducción los rotores
generan mucho calor en la chapa apilada, que se transmite directamente
al eje rotativo del cabezal. Por tanto, el gradiente es todavía más difícil de
controlar.
En el esquema de la figura 21 se muestra la construcción de uno de estos
cabezales.
|
Fig. 21.- Cabezal integral |
Otra de las problemáticas tanto de este tipo de cabezales como de los de
acoplamiento directo era la imposibilidad de obtener buenos pares a
bajas y a altas revoluciones. Este problema se ha resuelto incorporando
motores de doble bobinado, que utilizan uno de 6 pulsos a bajo régimen
y otro de 2 pulsos para régimen elevado. Es como si se cambiara el
motor dependiendo de las revoluciones de trabajo. Este cambio se
controla electrónicamente, y se realiza por tanto de forma dinámica.
3.11. Elementos auxiliares en el mecanizado
Estos elementos no determinan, generalmente, el diseño estructural de
la máquina pero, para obtener un resultado óptimo, son tan importantes
como el resto de características. El diseño de estos sistemas ha de
asegurar el correcto funcionamiento de una máquina en ciclos de trabajo
exigentes, minimizando a la vez los tiempo de no-corte (sobre todo en las
aplicaciones de producción de piezas).
3.12.20. Cambio automático de herramienta
Con el cambio automático de herramientas se dota a la máquina de
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independencia respecto a la presencia del operario para ejecutar un
trabajo con diferentes herramientas.
En las aplicaciones donde los ciclos de trabajo con una herramienta son
largos, los tiempos de cambio de herramienta son despreciables. En
cambio, en aplicaciones de producción donde las operaciones de cada
una de las herramientas no supera en muchos casos los 10 s, un cambio
de herramienta de 8 s supondría una relación insoportable.
En el primer caso las soluciones adoptadas son múltiples, pero siempre
sencillas. En la figura 22 se presenta la fotografía de un cambiador tipo
paraguas. Éste mueve todo el almacén hacia el cabezal y aprovecha el
movimiento del mismo para cambiar la herramienta.
|
Fig. 22.- Cambiador de herramienta tipo paraguas |
Se trata de una solución muy popular en los centros de mecanizado de
bajo coste. Sus dos desventajas son la invasión de la zona de trabajo por
las herramientas y la posibilidad de ensuciar los portaherramientas con
el peligro de excentricidad cuando gira si la viruta se ha quedado
enganchada en el cono.
En el segundo caso, el cambiador siempre debe tener una estación
intermedia entre el almacén y si mismo para poder seleccionar la
herramienta del almacén antes de ejecutar el cambio de herramienta.
Este elemento intermedio incorpora además un brazo, que a menudo es
accionado mediante una leva mecánica que ejecuta las acciones con un
solo movimiento rotativo. Estos sistemas de leva mejoran la fiabilidad y la
rapidez del cambio. En el mercado existen cambios de estas
características que cambian la herramienta en menos de 0,9 s.
La figura 23 muestra uno de estos cambios en un centro vertical. En este
caso las herramientas también están expuestas a las virutas de la
mecanizado.
|
Fig. 23.- Cambio de herramienta en un centro vertical |
En otras configuraciones, este cambio es aislado por una puerta. Estos
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sistemas se utilizan cuando dos de los ejes se sitúan bajo el cabezal,
como por ejemplo en el centro horizontal de la siguiente fotografía.
|
Fig. 24.- Centro de mecanizado horizontal con dos de los ejes situados
debajo del cabezal, y donde el que el cambio de herramienta se
encuentra aislado por una puerta |
3.12.21. Cambio automático de palets
El cambio automático de palets intenta dar autonomía a la máquina e
integrar el tiempo de preparación de la pieza en el tiempo de
mecanizado. Mientras uno de los palets está dentro la zona de trabajo el
otro está fuera, y el operador trae la pieza acabada y prepara la
siguiente.
En el mercado existen, básicamente, dos tipos de cambiadores de palets:
cambiador paralelo y cambiador rotativo.
En el cambiador paralelo la tabla realiza un movimiento de traslación
entre las operaciones de carga y descarga. Por tanto, el cambio se
compone de tres movimientos básicos. Este tipo de cambiador se utiliza
sobre todo en centros verticales, cuando el cambio de palets sea lateral
(para no ocupar el lugar del operador). También se utiliza en centros
horizontales con el eje X bajo la tabla. En ningún caso se trata de un
cambio rápido. Ver la figura 25 como ejemplo.
|
Fig. 25.- Cambiador paralelo para a un centro de mecanizado vertical |
El cambiador rotativo, en cambio, solo utiliza un movimiento de rotación
de una estructura rotativa que engancha los dos palets y le intercambia
las posiciones. Este cambio es mucho más rápido y mas adecuado en
aplicaciones donde sea preciso reducir mucho el tiempo de no-corte
(sobre todo si el ciclo de mecanizado por palet es pequeño). En las
figuras 26 y 27 se presentan dos soluciones de este tipo para centro de
mecanizado vertical y horizontal.
| |
Figs. 26 y 27.- Cambiadores de palets rotativos para centro de
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mecanizado vertical (arriba) y horizontal (izquierda) |
3.12.22. Evacuación de la viruta y refrigeración del corte
Los altos rendimientos de corte que se han visto se pueden conseguir
con el mecanizado de alta velocidad, tienen que ser asegurados por
sistemas de extracción de la cantidad de viruta que se extrae y
mejorados con buenos sistemas de refrigeración de la herramienta.
En aplicaciones de desbaste en aluminio la generación de viruta puede
ser de hasta a 5 l/min de material compacto, que se pueden convertir en
20 o 30 litros de viruta. Si el sistema de extracción de viruta no es capaz
de extraer el mismo caudal de viruta, ésta se acumulará en la zona de
trabajo imposibilitando, antes o después, el trabajo. En cambio, en el
caso de mecanizado de figuras 3D de pequeñas dimensiones, puede que
en una semana no se generen ni 20 l de viruta, por lo que la extracción
manual es suficiente.
Igualmente, los sistemas de refrigeración del corte con taladrina deben
ayudar a la evacuación de la viruta además de cumplir su objetivo de
enfriar el corte. Las chapas de la zona de trabajo deben ser entonces
diseñadas para evitar las acumulaciones de taladrina. Así pues, en las
zonas con este peligro hay que proyectar chorros de taladrina para
evacuarla.
3.12. Control térmico y evacuación del calor
A lo largo del apartado 2 se ha hecho referencia a la generación de calor
de los sistemas de la máquina-herramienta, y entreviendo algunos de los
sistemas de evacuación que se utilizan. En este apartado se desea
realizar un compendio de todos estos focos de calor con el fin de
destacar la importancia de su evacuación.
Uno de los conceptos más importantes en algunas de las aplicaciones
que utilizan la tecnología del mecanizado de alta velocidad es la
precisión. Si sabemos que:
| Ecuación 21 |
donde ∆L es el aumento de longitud de un cuerpo de longitud L, ∆T el
diferencial de temperatura del cuerpo y α el coeficiente de dilatación
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térmica del material del cuerpo, de esta relación se pueden extraer las
siguientes conclusiones:
la dilatación térmica depende de la característica propia del material α.
Para los materiales mas utilizados en construcción:
αfundición = 12,1 µ/Km
αpolímero = 12 µ/Km
αacero = 11,7 µ/Km
Por este motivo se suelen utilizar combinaciones de fundición y
hormigón polimérico.
La variación de longitud del cuerpo depende también de su dimensión
inicial L. Por lo tanto, es importante hacer las estructuras lo más
compactas posible. Visto de otra manera, las máquinas no deberían ser
sobredimensionadas, especialmente si se desea producir piezas con
tolerancias muy estrechas.
Si hay que producir piezas con tolerancias menores que 0,010 mm, la
temperatura no debería variar más de 1 o 2 ºC los sistemas de la
máquina. Esto obliga a mantener estos sistemas termoestables, y a
mantener la temperatura ambiente también constante (±0,5 ºC).
Una buena medida del comportamiento termodinámico de un sistema es
la evaluación de su eficiencia. La energía perdida se transforma en
deformaciones o calor. Todas estas consideraciones obligan a poner
especial atención a la termodinámica de cada uno de los sistemas de la
máquina, con el fin de elegir el mejor sistema de evacuación.
3.13.23. Motores de los ejes
El calor generado en el motor es proporcional a las aceleraciones que se
desee obtener. Este calor se podría transmitir al soporte y al husillo de
bolas. Por tanto, sobre todo en las máquinas con altas aceleraciones, hay
que evacuar este calor. Los fabricantes de servomotores no integran, hoy
por hoy, sistemas de evacuación de calor como estándar, pero algunos
fabricantes de máquinas montan sistemas de convección forzada
(ventiladores).
Siempre que se evacua el calor de un sistema hay que intentar no
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dirigirlo hacia otro. Por eso a veces es difícil la aplicación de estos
ventiladores en algunos motores. Algunos fabricantes piensan en este
factor por el diseño de la estructura de la máquina.
3.13.24. Husillo de bolas
El calor generado en el husillo de bolas se produce básicamente en la
fricción de la rosca del husillo y en la hembra de bolas. Como en el caso
del motor, cuanta más alta respuesta dinámica se requiera del sistema
más elevada es la generación de calor.
Como en los husillos L es bastante grande, la dilatación térmica puede
ser bastante acusada. Pondremos como ejemplo un husillo de 1 m de L
en acero. Si la temperatura cambia 2 ºC :
| Ecuación 22 |
Estos valores son totalmente inaceptables siquiera en una máquina
pensada para producir piezas de precisión media. Además, la variación
de longitud afecta a los soportes del husillo cambiando las precargas de
los rodamientos de contacto angular y, por tanto, a la rigidez del sistema.
Esta variación puede afectar al ajuste del servosistema.
En estos casos se utilizan refrigeraciones con aceites que pasan por los
husillos agujereados como un primer paso para evitar las dilataciones
excesivas. Ver figura 28.
|
Fig. 28.- Refrigeración con aceite que pasa por los husillos agujereados
como un primer paso para evitar las dilataciones excesivas |
Otra solución complementaria es montar los husillos con suportes fijo-
fijo con pretensión. Esta pretensión intenta absorber parte de los efectos
de dilatación, haciendo el sistema más robusto ante las pequeñas
variaciones de temperatura.
Estos sistemas son más complejos que otra solución adoptada por la
mayoría de fabricantes que prevén problemas en este sentido. La
solución se basa en dejar que el husillo se dilate o encoja. Estas
variaciones de L serán compensadas por un sistema de medida lineal.
Hay que decir que este sistema es una solución buena sólo si la regla
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está montada cerca del husillo y la zona de suporte es termoestable, con
el fin de no inducir a errores angulares en la medida.
Con el fin de asegurar la precisión del eje, la solución ideal seria adoptar
estas tres soluciones.
3.13.25. Cabezal
La generación de calor es, en última instancia, la causa de fallo y ruptura
del cabezal excepto en casos de colisiones violentas. Es por tanto
importante que se sepa qué elementos pueden aportar calor al sistema
con el fin de evitarlo, o bien evacuar el calor de forma óptima.
Además, el calor generado y transmitido al cabezal que no sea evacuado,
afecta a la precisión del eje Z por la dilatación térmica del propio cabezal,
y se transmite al carro porta-cabezal afectando seriamente la precisión
del eje perpendicular al eje principal del carro. Por ejemplo, en un centro
de mecanizado vertical tipo C, el calor generado en el cabezal afecta
tanto o más al eje Y que al eje Z.
El calor se genera en primer lugar en la zona de corte, aunque el
mecanizado de alta velocidad intente reducir la transmisión de calor por
conducción del punto de corte a la herramienta. Este calor se transmite a
la parte rotativa del cabezal y, por tanto, directamente, a la jaula interior
de los rodamientos.
También se genera calor por el roce entre las bolas y la jaula del
rodamiento, debido al desequilibrio del rotor y a las propias bolas por la
fuerza centrífuga del giro. Cuanto más grande sea el tamaño del rotor,
más desequilibrio y más fuerza centrífuga.
Por último, hay que tener en cuenta el calor generado por el motor, que
puede transmitirse al cabezal.
Se observa entonces cómo la mayor parte del calor generado o
transmitido al cabezal se concentra en el rotor. Desgraciadamente, los
sistemas de refrigeración afectan al estator del cabezal (por razones
obviamente tecnológicas) y, en menor medida, a las bolas de los
rodamientos (el aceite vaporizado por el aire puede, además de lubricar,
refrigerar esta zona). Este enfriamiento exterior, siendo necesario,
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provoca una diferenciación térmica entre la jaula interior y exterior del
rodamiento que hace aumentar la precarga. Si ésta no se controla se
puede provocar un aumento descontrolado del calor generado y la
destrucción final de los rodamientos.
A la hora de estudiar los sistemas de evacuación de calor en los
cabezales de las máquinas-herramienta de alta velocidad hay que tener
en cuenta que este sistema tiene una variación muy importante de calor
generado en función de la velocidad de trabajo del cabezal. En muchas
de las aplicaciones los cambios de herramienta son continuos, a cada
herramienta le corresponde una velocidad de trabajo y, por tanto, una
generación de calor propia. Y un nuevo esfuerzo al sistema de
evacuación para estabilizar la temperatura.
|
Fig. 29.- Circuito de refrigeración de un cabezal |
La primera consecuencia del fuerte trabajo al que se ve sometido el
sistema de evacuación es que hay que elegir un sistema de refrigeración
que independice la temperatura ambiente de la regulación de la
temperatura del circuito del cabezal. Éste ha de tener, por tanto, otro
circuito de gas con compresor que pueda responder con rapidez a estos
cambios de calor generados por el cabezal. En la figura 29 se presenta un
esquema de refrigeración de un cabezal integrado.
Por tanto, hay que dimensionar el refrigerador para que el sistema tenga
la menor constante de tiempo posible. Es decir: para que vuelva a una
temperatura “estable” tras un cambio de velocidad, de la forma más
rápida posible. Además, este dimensionamiento ayudará también a
obtener un rizado de la temperatura mínimo cuando el cabezal
mantenga la velocidad.
Aunque estos sistemas evacuen el calor con mucha rapidez, nunca se
podría tener un sistema suficientemente grande como para mantener
totalmente constante la temperatura del cabezal a cualquier velocidad.
Este es el motivo por el cual muchos fabricantes compensan la dilatación
del eje Z dependiendo de la ∆T y de la constante de tiempo del sistema
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de refrigeración, con tal de mantener la precisión del eje Z. Esta función
es especialmente importante en la producción de moldes de precisión
con figuras 3D.
En la figura 30 se presenta la característica exponencial de la dilatación
del eje Z en un cabezal integrado pasando de 0 a 14.000 rpm. La
constante de tiempo de este cabezal es de unos 6 min. En la figura 31 se
muestra la característica de variación del eje Z con velocidad constante.
| |
Fig. 30.- Gráfico de dilatación del cabezal en función del tiempo, cuando
pasamos instantáneamente de 0 a 14.000 rpm en el cabezal integral de
un centro de mecanizado de alto rendimiento | Fig. 31. - Rizado de la
dilatación del eje Z respecto al tiempo, debido a la compensación térmica
constante a la que está sometido el cabezal. Los valores de pico son
0,003 mm |
3.13.26. Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte
En general las estructuras de las máquinas envuelven o suportan la zona
de trabajo. En esta zona se produce una gran cantidad de calor, cuya
mayor parte se transmite a las virutas y al líquido refrigerante en caso
que se utilice.
Estos dos elementos caen en las zonas laterales de la mesa de trabajo,
transmitiendo su calor a los elementos de protección de los ejes y a la
estructura. Esta aportación de calor localizada genera gradientes de
temperatura a partes de la estructura que pueden entonces sufrir
distorsiones y pérdidas de precisión.
En las máquinas donde se produzca una gran extracción de viruta y que
estén destinadas a la producción de piezas de precisión, la zona de
trabajo tendría que aislarse de la estructura de la máquina con cámaras
de aire que hagan de barrera térmica.
3.13.27. Sistemas auxiliares
Otros componentes que deben que ser tenidos en cuenta a la hora de
termoestabilizar la estructura de la máquina son los armarios eléctricos,
las centralitas hidráulicas y, en general todos aquellos sistemas que
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generen calor alrededor de la máquina.
A menudo es necesario compactar el volumen de la máquina para
facilitar el transporte y obtener el máximo rendimiento del suelo
industrial. Por eso se suelen enganchar o colgar estos sistemas auxiliares
en la estructura de la máquina. Si se hace esto hay que diseñar barreras
térmicas entre éstos y la estructura, con tal de evitar la aportación de
calor por conducción.
3. NUEVAS TENDENCIAS
En los últimos años se han realizado algunas incursiones en nuevas
tecnologías con tal de mejorar algunas de las aplicaciones del
mecanizado por arranque de viruta. A continuación se presentan dos de
éstas.
4.13. 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 32 se presenta una vista posterior de una de estas
estructuras hexápodas.
|
Fig. 32.- Vista de la parte posterior del centro de mecanizado Urane de
alta velocidad del fabricante Renault Automation (actualmente parte del
grupo Comau) |
4.14. 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
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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 figuras 33 y 34 se muestra una vista de la máquina y un esquema
con el funcionamiento del rayo.
| |
Fig. 33.- Vista de la máquina Deckel DMU 60 L | Fig. 34.- El
direccionamento del eje se hace rotando dos planos reflectores. Los
sistemas de accionamiento, es por tanto, muy simple |
Herramientas para mecanizado a alta velocidad
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de
Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. INTRODUCCIÓN:
En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV
no existiría si no se dispusiera de herramientas capaces de soportar las
nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadas
temperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las
herramientas suponen actualmente una limitación en el mecanizado.
Una limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las
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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.
Pero, ¿cómo sabremos qué herramientas utilizar, qué papel juega cada
una de sus propiedades? ¿Cómo seleccionaremos la herramienta
adecuada para cada material?. Y, para cada aplicación en concreto,
¿cuáles son los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta
como en la calidad superficial de la pieza: los recubrimientos, su
geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de
mecanizado, longitud de la herramienta, etc.?
Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un
estudio de las herramientas.
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2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:
Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres
campos clave en una herramienta: (material de la herramienta),
geometría y recubrimiento.
3.1. Sustrato
Aceros para trabajos en frío o en caliente - No se utilizan en el MAV
Acero rápido: una aleación de metales que contiene alrededor de un 20%
de partículas duras. Apenas se utilizan en el MAV.
Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo
unidas por un aglomerante a través de un proceso de sinterizado. Los
carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total.
Los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio
(TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC). El aglomerante
típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de
aluminio y silicio.
Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es
recubierta con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de
aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y
aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV
(deposición química por vapor), PVD (deposición física por vapor) y
MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen
equilibrio entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.
Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las
herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son
de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El aglomerante es
níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres,
alta estabilidad química y dureza en caliente. Baja tendencia a la
oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran dureza y
resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se
aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil,
aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCy MoC
añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico
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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.
3.2. Geometría
Espiga (cuello) cónica: Con el fin de mejorar la rigidez.
Alma de gran diámetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las
vibraciones y el riesgo de mellado de los filos. Menor flexión y una mejor
tolerancia de la pieza mecanizada.
Cuello de la herramienta rebajado: Mayor alcance en cajeras profundas.
Evita el contacto y los roces. Reduce las vibraciones.
Mango cilíndrico largo: Para una mejor sujeción y equilibrio.
Ángulo de desprendimiento negativo (-15º): Mayor estabilidad y
resistencia del filo. Menor tiempo de contacto con la viruta. El calor se
transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado
superficial. Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la
forma definitiva.
3.3. Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a
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mecanizar.
Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando
la adherencia de material al filo. Herramientas de pocos labios (2) con
ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuación de
grandes caudales de viruta.
Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez.
Mucha hélice para disminuir la resistencia al corte y mejorar el acabado.
Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta -
menor absorción de calor, viruta corta.
Herramientas enterizas y de insertos:
Enterizas: Mayor precisión, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza.
Disposición de herramientas de cualquier diámetro. Elevado coste.
Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad de
una estrecha relación proveedor-usuario.
De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional.
Diámetros cercanos a los 8mm. Solo metal duro para MAV. Normalmente
para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad de
reposición.
3.4. Recubrimientos
* Las características principales de los recubrimientos se resumen en los
siguientes puntos:
* Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.
* Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte
* Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a
través de la viruta.
* Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad
herramienta-pieza
* El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”.
* Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o
deposición física de vapor
3.5.1. Recubrimientos de TiAlN
Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás
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los demás. Los recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de
TiCN, y los monocapa a los de TiN.
TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD)
basados en nitruro de titanio aluminio que destacan por su dureza,
estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas
de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.
* Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa,
con su alta dureza 3.000 (Hv 0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y
química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas de corte de acero
rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por
tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en
mecanizados a altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad
de lubricante.
* Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro
utilizadas en condiciones de mecanizado severas. Su elevada dureza,
3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºc, y química hacen que
sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales
térmicamente tratados empleados, como por ejemplo en moldes,
punzones, matrices y utillajes de forja.
3.5.2. Recubrimiento de diamante
Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos
como el grafito. Durante el mecanizado de estos materiales las
herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies
mecanizadas y la precisión dimensional son pobres. Con las
herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya dureza es
superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y
poder aumentar las velocidades de corte, disminuyendo así de manera
importante el tiempo de mecanizado, se consigue un buen acabado de la
superficie y una buena precisión dimensional.
3.5.3. Recubrimiento WC/C:
Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los
200 ºC. Al realizarse el proceso de recubrimiento en alto vacío, las
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propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las
logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños
(nitruración, galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa
de solo unas micras de espesor y son la ultima operación dentro de los
componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una
combinación única de características: Bajo coeficiente de fricción, alta
resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.
3.5.4. Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C
Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de
desgaste que se dan en la formación y evacuación de viruta. Este
recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del
recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y
lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y
roscados.
Recubrimiento | TiN | TiCN | WC/C | TiAlN (monocapa) +WC/C | TiAlN
(multicapa) | TiAlN (monocapa) |
Microdureza | 2300 | 3000 | 1000 | 2.600-1.000 | 3000 | 3500 |
Coeficiente de rozamiento contra el acero | 0,4 | 0,4 | 0,2 | 0.2 | 0,4 | 0,4
|
Temperatura máxima de trabajo | 600 | 400 | 300 | 1000 | 800 | 800 |
Color | oro-amarillo | azul-gris | | gris oscuro | violeta-gris | púrpura-
gris |
Espesor del recubrimiento | 1-4 | 1-4 | 1-4 | 2-6
(1/3 wc/c; 2/3 TiAlN) | 1-5 | 1-3 |
Herramientas para Mecanizado de Alta Velocidad
Las herramientas han sido un factor determinante en el desarrollo de la
tecnología del Mecanizado de Alta Velocidad. Tienen geometrías cada vez
más específicas y una composición físico- química cada vez más
orientada al material a mecanizar y a la operación a realizar. De las
herramientas de acero rápido utilizadas hasta los años setenta se pasó a
carburo de tungsteno. A éste se le han ido aplicando diferentes
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composiciones de recubrimientos, hasta llegar a los nitratos actuales. Y
se han introducido también materiales nuevos, tales como el nitrato de
boro cúbico, seguramente el más novedoso en estos momentos.
Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano
Almoril
1. CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS
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 lasherramientas 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
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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
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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 |
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| |
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
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hechos los perfiles de corte, pero en la forma no hay variaciones
importantes respecto a las herramientas tradicionales.
Ángulo de ataque o perfil de corte
El ángulo de ataque es el ángulo que forma el perfil de corte con la línea
que une el punto de contacto herramienta-pieza con su centro. Las
consideraciones serán las mismas tanto para las herramientas integrales
como para las herramientas de plaquitas.
Este ángulo juega un papel muy importante en el comportamiento del
corte, dependiendo del tipo de material a mecanizar. Así, este ángulo no
puede ser el mismo en materiales que precisen ser arrancados que en
materiales que precisen ser rotos.
Se ha dicho que los materiales blandos como el aluminio, el cobre y
algunos aceros pretratados son de buena maquinabilidad, pero tienen el
problema de su pastosidad: es difícil arrancar y separar la viruta de la
pieza. Para estos materiales son necesarios ángulos de corte positivos
que penetren realmente en el material y lo seccionen.
Para materiales duros, tipo aceros tratados, un ángulo de corte positivo
provoca casi inmediatamente la ruptura del perfil de corte dada su
fragilidad y poca robustez. Si el material es duro pero frágil,
emplearemos ángulos de corte negativos, ya que el material no necesita
ser arrancado sino simplemente roto.
| | |
| | |
Como se verá en el apartado siguiente, el perfil de corte positivo va
generalmente asociado a un canal de evacuación de virutas grandes y el
perfil de corte negativo a un canal de evacuación más pequeño. Estos
dos factores determinaran el espacio físico disponible para la ubicación
del ánima de la herramienta. Así pues, las herramientas o plaquitas que
tienen ángulos de ataque positivos acostumbran a tener ánimas de
herramienta más pequeñas y, por lo tanto, menos robustez que las
herramientas de perfil de corte más negativo.
El problema aparece en determinados aceros inoxidables que sean duros
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pero a la vez resistentes y pastosos debido a su composición. Para este
tipo de materiales se emplean geometrías no tan negativas, pero con
unas condiciones de corte notablemente inferiores a las elegidas para
aceros más frágiles o para materiales como el aluminio, con el fin de
conservar el mayor tiempo posible este perfil de corte.
Canal de evacuación de la viruta y número de dientes
El canal de la evacuación de la viruta y su ángulo son también factores
determinantes en el comportamiento de la herramienta. En materiales
que permiten un gran desalojo de viruta por unidad de tiempo, como el
aluminio, este canal ha de ser lo más grande posible con el fin de facilitar
su evacuación. En estas condiciones, el ángulo del canal también ha de
ser grande
El problema que presenta esta configuración es que resta robustez a la
herramienta, ya que limita el espacio para el ánima, a la vez que limita el
número de dientes o labios que es posible ubicar.
En materiales que no permiten tanto arranque de viruta este canal podrá
ser más pequeño, posibilitando así un mayor número de dientes en la
herramienta y unos ángulos más pequeños. Esto conferirá mucha más
robustez que la configuración anterior.
Así pues, para materiales como el aluminio se suelen utilizar
herramientas con pocos labios (2 labios por lo general) con ángulos de
evacuación superiores a los 60 grados, mientras que para herramientas
destinadas al trabajo de materiales duros se prefiere un mayor número
de labios (4,6,8... dependiendo del diámetro de la herramienta) con
ángulos de evacuación de hasta 45 grados.
Es necesario considerar que, en el caso de materiales duros en
operaciones de acabado, es más conveniente utilizar herramientas con
un número de labios no muy elevado y hasta con un ángulo de ataque no
tan negativo como el elegido en las operaciones de desbaste o
semiacabado.
En las operaciones de acabado el sobrante de material que ha de cortar
la herramienta en estos tipos de materiales no es muy grande (ya se vera
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que esto también depende del tamaño de la pieza en si y de la
herramienta en juego) por lo tanto las fuerzas de corte no serán muy
elevadas. No es tan prioritario en este caso la robusteza de la
herramienta como lo es el echo de conseguir un corte limpio y de
disponer de una buena tolerancia dimensional de la herramienta.
Las herramientas de muchos labios presentan más problemas de
rectificado en su manufactura y la diferencia de diámetros entre los
labios es más grande. Se pueden cifrar estas diferencias en el orden de
0.02 mm o más ( las herramientas esféricas integrales de dos labios
soportan tolerancias inferiores a 0.01 mm). Si el número de dientes se
multiplica el número de diferencias en una misma fresa, y se esta
trabajando con sobrantes de material del orden de media décima, se
puede comprobar muy bien que, proporcionalmente, el grado de no
repetibilidad en las condiciones de corte de los diferentes dientes es muy
malo, lo cual comportara inestabilidad en el corte de la herramienta y
vibraciones que se reflejarán en la calidad de la superficie final.
| |
Fig.11.- Ángulo de evacuación grande y dos labios para una gran
evacuación de viruta |
| |
Fig.12.- Ángulo de evacuación de 45 grados aproximadamente y cuatro
labios |
| |
Fig.13.- Ángulo de evacuación pequeño y seis labios. Herramienta
empleada para trabajo en aceros duros |
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
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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.14.- Gráfico orientativo que informa sobre la condición de corte de
una herramienta empleada en el mecanizado de aceros durosColor
verde : zona segura de trabajoColor amarillo : zona peligrosa, hay que
reducir las condiciones de corte de la herramienta si se desea su vida
provechosaColor rojo : zona de trabajo no recomendable aunque se
reducen mucho las condiciones de corte |
|
Fig. 15.- Ejemplo de una herramienta sobrealargada para el mecanizado
de zonas con cierta profundidad |
2. CONSIDERACIONES FÍSICO-QUÍMICAS
Hay un hecho significativo que determina el diseño y el comportamiento
de las herramientas en este tipo de mecanizado: en la zona de corte se
alcanzan a temperaturas muy elevadas, y la herramienta ha de estar
preparada para cortar en estas condiciones.
Este incremento de la temperatura en la zona de trabajo es precisamente
una consecuencia originada por la utilización de estas nuevas
generaciones de herramientas, que han sido ya diseñadas para soportar
mayores velocidades de corte, parámetro directamente relacionado con
la temperatura en la zona de trabajo.
Pero hay que hacer todo lo posible para tener esta temperatura
controlada y estable. Mediante unas buenas y adecuadas condiciones de
corte de la herramienta: velocidad de corte, avance por diente, pasada
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axial y radial y trayectorias de corte, es preciso conseguir condiciones
estables y el control de la temperatura deseada.
Se pretende además que estas condiciones de corte permitan la
evacuación de la gran cantidad de calor generada a través de la viruta,
dando el menor tiempo posible a que este calor se transmita de la pieza
a la herramienta. Si las condiciones de corte son adecuadas, el mayor
porcentaje de calor se almacena en la viruta y, si la expulsión de esta
zona de corte es correcta, se pueden alcanzar regímenes estables de
trabajo sin incrementos progresivos o súbitos de la temperatura, que es
lo que garantiza la mayor vida de la herramienta.
Estas elevadas temperaturas en la zona de corte son las que provocan
que, mientras en el mecanizado convencional predomina el mecanismo
de desgaste por abrasión, en el mecanizado de alta velocidad el factor
limitador de la vida de la herramienta es el desgaste por difusión: la
mayor temperatura de la zona de trabajo aumenta la reactividad química
de los materiales en contacto (pieza y herramienta).
El ánima de la herramienta
Hasta la aparición y desarrollo de esta nueva tecnología los materiales de
que estaban hechas las herramientas era mayoritariamente aceros
rápidos (HSS) para el mecanizado de materiales férricos y no férricos
blandos, y de carburo de tungsteno para el mecanizado de materiales
más exigentes. Pero estos tipos de herramientas se mostraron
totalmente insuficientes para conseguir altas velocidades de corte,
especialmente en materiales de muy difícil maquinabilidad ya que
estaban expuestos a grandes esfuerzos térmicos y mecánicos. Fallaban
prematuramente por abrasión, craterización, por roturas de corte y por
soldaduras en frío.
Anteriormente también había que aplicar a estos materiales ciertos
recubrimientos, como el nitrato de titanio, para intentar mejorar estas
prestaciones. Pero los resultados distaban mucho de los que se pueden
obtener actualmente.
Las nuevas generaciones de herramientas utilizan estos materiales
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duros, pero optimizados en calidad. Se les han aplicado nuevas
generaciones de recubrimientos. También se pueden utilizar fresas
macizas como los Cermets (carburo de titanio TiC y nitrato de titanio TiN
que normalmente utilizan un enlace níquel-cobre) , fresas cerámicas y
herramientas con ánima también de metal duro pero con inserciones
denitruro de boro policristalino (PCBN).
Los Cermets tienen vidas útiles mayores que los metales duros sin
recubrimiento debido a su mayor resistencia en la arista, menor
tendencia a la adherencia y mayor estabilidad química.
Las cerámicas tienen una elevada resistencia al desgaste a altas
temperaturas, pero una baja tenacidad, que da lugar a roturas de la
arista de corte.
Las herramientas de metal duro recubiertas permiten trabajar a mayores
velocidades que con los Cermets y, además, tienen un mejor
comportamiento respecto al desgaste y por lo tanto respecto a la vida de
la herramienta (aproximadamente el doble, aunque esto depende del
material y de las condiciones de corte).
En el caso de las herramientas recubiertas es esencial la correcta elección
del sustrato base, ya que solo los carburos con un gran revestimiento, y
muy fino, pueden permitir la obtención de herramientas con unas
propiedades mecánicas que satisfagan las exigencias. Así se utiliza
preferentemente carburo de tungsteno micrograno con tamaños de
grano del orden de 0.8 0.3 m.
Del nitrato de boro policristalino se hablara con mayor detalle más
adelante.
| | |
Fig. 16.- Tres ejemplos de herramientas integrales de carburo de
tungsteno sin recubrimiento |
El 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
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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
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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. 17.- 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 figura18). 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.18.- Patrón de desgaste del recubrimiento TiAlN | Fig. 19.- 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.
3. 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
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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.
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Parámetros y condiciones de corte en MAV
Juan Martín
Técnico Comercial Juan Martín, S.L.
1. PARÁMETROS DE CORTE
En este artículo 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)
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| [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
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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:
| [Ecuación 8] |
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2. CONDICIONES DE CORTE
3.1. 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 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. Observar que 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.
3.2. 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
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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.
Portaherramientas para máquinas de alta velocidad
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de
Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
El objetivo de este capítulo es presentar los distintos tipos de
portaherramientas que existen actualmente en el mercado para el
mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones
existentes entre el desequilibrio y los diferentes tipos de
portaherramientas.
1. INTRODUCCIÓN
El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de
concentricidad de la herramienta de corte con el fin de evitar errores y
aumentar la seguridad del proceso en el mecanizado a altas revoluciones
de corte. Actualmente los conos portaherramientas más utilizados son
los especiales tipo HSK. También se utilizan los conos SK 40 & 50 (DIN
69871) y BT 40 & 50.
Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los
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portaherramientas más convencionales, se resumen en los siguientes
puntos:
* Proporcionan mayores exactitudes de cambio y repetitividad.
* Transmisión segura de un elevado par con un posicionamiento radial
definido (ausencia de run-out).
* Gran rigidez a la flexión estática y dinámica.
* Disminución del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen
los problemas de tipo inercial.
2. AJUSTES
El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser
extremadamente preciso. Los diferentes sistemas empleados para el
ajuste de herramientas en en los portas de alta velocidad son:
Mecánico: Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste
de tuerca y pinza (porta-pinzas). En el caso de tuerca de gran apriete, la
pinza es cilíndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuerca
normal, la pinza es cónica.
Hidráulico: No es una opción muy recomendable, ya que al girar a altas
revoluciones (a partir de 20000 rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar
el salto radial de la hta. Las ventajas que presenta este
portaherramientas es que no necesita ningún mecanismo secundario, sin
embargo el coste individual del portaherramientas (sin contar el
mecanismo de calentamiento de los térmicos) es más elevado que los
térmicos.
Térmico El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento,
con lo que aumenta el diámetro interior por dilatación. Una vez dilatado
se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso de
contracción queda sujeta la herramienta. Esta opción es la mas
recomendada, pero actualmente también es la mas compleja y cara, ya
que obliga a disponer de un porta por diámetro de herramienta, y un
dispositivo térmico auxiliar para la sujeción.
La elección del tipo de portaherramientas dependerá del centro de
mecanizado y la precisión con la que se piense trabajar.
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En la tabla adjunta se muestra la precisión proporcionada por cada uno
de los sistemas de amarre comentados en párrafos anteriores:
Útil | Precisión (m/m) |
Portapinzas convencional | 0.015 |
Portapinzas tipo Weldon | 0.020 |
Portapinzas hidráulico | 0.003 |
Porta de deformación mecánica | 0.003 |
Porta de dilatación térmica | 0.003 |
A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente
pequeños pueden producir fuerzas peligrosamente altas en los
rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminución de la vida
útil del mismo.
3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO
Los efectos negativos del desequilibrio de la
herramienta/portaherramientas pueden ser divididos en dos categorías:
Efectos sobre la pieza mecanizada: rechinar de la superficie metálica
causadas por el movimiento de la herramienta de corte. Otro efecto es la
imposibilidad de conseguir tolerancias muy precisas.
Efectos sobre la máquina: Son más destructivos que los efectos sobre la
pieza mecanizada. Las fuerzas centrífugas causan grandes tensiones
internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un fallo
prematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de
producción de una máquina de alta velocidad durante semanas con el fin
de sustituir el husillo de precisión, operación que no está exenta además
de un alto coste económico. Otro efecto del desequilibrio está
relacionado con la reducción de la vida de la herramienta de corte (50%
menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).
| |
Fig. 1.- | Fig. 2.- Comparación entre vástagos HSK y CAT (SK) |
En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su
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fabricación a las revoluciones que exige el cliente (G6.3, G2.5…). El
portaherramientas que ofrece un mayor grado de equilibrado es el
térmico; sin embargo existen equipamientos externos que nos
permitirán un equilibrado más preciso. Para el mecanizado a alta
velocidad, lo ideal sería reequilibrar el conjunto herramienta /
portaherramientas / husillo en la propia máquina herramienta. No
obstante, hoy en día, existen muy pocos sistemas para un equilibrado
completo, por lo que hay que hacerlo en una máquina de equilibrado
externa.
Portaherramientas para Mecanizado de Alta Velocidad
Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano
Almoril
1. Los portaherramientas
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.
2. Equilibrado
Las revoluciones a las que se ha de hacer girar este tipo de herramientas
pueden ser elevadas .Esto provoca la magnificación de cualquier
desequilibrio que exista en los elementos que giran a estas velocidades y,
entre ellos, el portaherramientas.
El equilibrado del portaherramientas para la mecanizado de alta
velocidad ha de ser más exigente que el de un portaherramientas
destinado a la mecanizado tradicional. No sólo porque ha de soportar
regímenes de giro más elevados sino también porque es normalmente
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en estos regímenes donde se realizan las operaciones de acabado, y
cualquier vibración se refleja en el resultado final de la pieza.
Se define el desequilibrio U como:
o bien
donde:
M: masa del rotor
S: centro de masas (M + m)
e: desplazamiento del centro de masas (mm)
r: distancia desde el eje de giro a la masa m (mm)
m: masa de desequilibrio (g)
U: desequilibrio del rotor (gmm)
Así pues, el desequilibrio es un producto de una masa por una distancia,
y se suele expresar en gramos x mm
Se define grado de calidad G como el producto del desequilibrio
específico e para la velocidad de rotación w
Si se desprecia la masa m frente a la masa M se puede obtener de la
ecuación 5.1:
Por sustitución se puede decir entonces que:
o lo que es lo mismo:
donde:
n: revoluciones del cabezal en rpm (min-1)
Despejando U se puede concluir que:
Para los portaherramientas destinados a mecanizado tradicional
acostumbra a ser suficiente un grado de calidad de G 6.3, mientras que
para los portaherramientas destinados a trabajar por encima de las
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8.000 rpm es necesario el grado de calidad G 2.5
El procedimiento óptimo de trabajo en cada caso seria un completo
equilibrio del conjunto cabezal de la máquina – portaherramientas –
herramienta en cada herramienta que se quiera emplear, pero esta
operativa es totalmente inabordable debido a la dificultad de efectuar
este equilibrado por parte del usuario de la máquina. El tiempo de
preparación de les herramientas sería excesivamente largo y costoso, y
en este caso imposibilitaría totalmente la adopción de esta tecnología
por parte del mecanizador. Por este motivo hay que exigir por lo menos
la calidad de las piezas que forman el conjunto por separado.
3. Salto
Se denomina salto de la herramienta (run out en inglés) al doble de la
distancia que hay entre el eje de giro teórico que define la geometría de
la herramienta el eje de giro real de ésta una vez montado el conjunto
herramienta-portaherramienta-cabezal.
Si al salto se le añade un problema de no paralelismo entre estos dos
ejes de giro se está provocando que los labios de la herramienta no
corten por igual, con lo cual se generan vibraciones que limitan la vida de
la herramienta a la vez que provocan una mala calidad en la superficie
mecanizada.
El salto tiene diferentes orígenes, pero en la mayoría de los casos el
mayor responsable es el portaherramientas. Los portaherramientas que
se utilizan en estos tipos de mecanizado tienen que estar equilibrados y
garantizar un salto mínimo. Por ejemplo un salto de 0.02 mm es
excesivo, especialmente para la calidad superficial obtenida con una
herramienta de acabado trabajando en este estado.
|
Fig. 21.- Descripción gráfica del salto |
4. 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
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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 5.23) 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 5.22). Un
inconveniente de este sistema acostumbra a ser el precio de coste de
cada unidad.
| |
Fig. 22.- Portapinzas con grado de calidad 2.5G y salto del orden de 3 µm
| Fig. 23.- 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
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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. 24.- Portaherramientas térmico de un solo cuerpo | Fig. 25.- 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 26, 27 y 28)
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 29).
| |
Fig. 26.- Portapinzas térmicos modulares | Fig. 27.- Detalle de
enclavamiento |
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| |
Fig. 28.- Pinzas térmicas para sistemas modulares |
| |
| Fig. 29.- Diferentes máquinas de calentamiento y enfriamiento por
enclavamiento térmico |
5. Refrigeración
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
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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
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interiores de flujo del refrigerante que orientan a este directamente a la
zona de corte) (figura 30) o a través del portaherramientas (figuras 31 y
32). 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. 30.- Esquema de la refrigeración a través de l’interior de la
herramienta |
| |
Fig. 31 | Fig. 32 |
Conos porta-herramientas para mecanizado de alta velocidad
Aitzol Lamikiz, José Antonio Sánchez, Miguel A. Salgado / Departamento
de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco
1. INTRODUCCIÓN
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
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* ...
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.
2. 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
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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 cono | Posiciones 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
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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.
3. 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 elrunout)
* 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.
4.1. 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.
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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.
4.2. 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
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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.
4.3. 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.
4. EQUILIBRADO
Un sistema desequilibrado es el que tiene su centro de masas
desplazado del eje de rotación del sistema. En función de la masa y del
desplazamiento, se originará un grado de desequilibrio mayor o menor.
Al hilo de esta definición, cabe decir que el sistema perfectamente
equilibrado no existe como tal, y lo que se debe conseguir es un grado de
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desequilibrio admisible por el sistema.
El desequilibrio es un fenómeno que produce vibraciones, sobre todo a
altas velocidades. Estas vibraciones producen pésimas calidades
superficiales y puede provocar roturas de herramienta y de husillo. Este
desequilibrio no es tan importante en el mecanizado convencional, ya
que depende del cuadrado de la velocidad, luego si se pasa de 4.000 rpm
a 20.000 rpm, el efecto del desequilibrio se incrementa en un factor de
25.
Es obvio, por tanto, que para velocidades altas en el husillo (MAV) se
requieren herramientas equilibradas para obtener buenas calidades
superficiales y vidas de herramientas aceptables. El equilibrado busca
contrarrestar los efectos negativos de la excentricidad del sistema husillo
- cono - herramienta. Esta excentricidad indica la distancia entre el centro
de masas de la herramienta hasta su eje de rotación.
El desequilibrio se puede producir por
* Presencia de elementos asimétricos en el cono portaherramientas
(tornillos, marcas, etc.)
* Guías que no son perfectamente simétricas
* Imperfecciones en el propio cono
Otra fuente de desequilibrio son las propias herramientas y pinzas.
Cuando se adquiere un cono equilibrado, suele estarlo sin contar con los
demás elementos. Es necesario realizar el montaje de todos elementos
de forma precisa, ya que sino se introducen desequilibrios. Además estos
serán mayores cuanto más pesada y larga sea la herramienta. El MAV
obliga el uso de herramientas simétricas, no siendo en absoluto
aconsejable utilizar herramientas desequilibradas como brocas de un
solo filo, etc.
El problema real no es el desequilibrio en si, sino la combinación de este
desequilibrio con altas velocidades de giro del husillo. La fuerza debida a
este desequilibrio es de la forma:
| Fdeseq: Fuerza debida aldesequilibrio en Nw
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U: Desequilibrio en g· mm
S: Velocidad del husillo en rpm. |
En la figura se puede observar la fuerza de desequilibrio para distintos
niveles de desequilibrio.
|
Valores de la fuerza obtenidas para diferentes desequilibrios de
herramienta |
Si el desequilibrio es grande (6 a 8 g·mm) la fuerza debida al desequilibrio
puede ser del orden de la fuerza de corte, sobre todo en operaciones de
acabado. Como norma general se debe mantener la Fdeseq por debajo
de las fuerzas de corte.
Actualmente, la norma más extendida para establecer este equilibrado
es la ISO 1940-1. Este estándar establece distintas “clases G”. Cuanto
menor sea la clase G, mejor equilibrado implica. Muchos fabricantes de
conos están produciendo conos de clase G1.0 a G2.5. Este valor G dicta el
máximo desequilibrio utilizando la fórmula:
| U: Desequilibrio admisible [g·mm]
S: Velocidad del husillo en rpm
m: masa del sistema [Kg]
G: Clase G dado por ISO 1940 - 1 |
|
Valores de desequilibrio en función de la clase G y de la velocidad de giro
|
A pesar del uso de la norma ISO, ésta fue diseñada para el equilibrado de
rotores de turbinas, por lo que los valores de desequilibrio obtenidos son
en ocasiones excesivamente restrictivos para la mayoría de las
aplicaciones de mecanizado. Otro problema es que, según la norma, se
permite un desequilibrio mayor a las herramientas más pesadas, cuando
estudios experimentales demuestran que cuanta mayor sea la masa de
las herramientas, menos desequilibrio es permitido. Como conclusión, se
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puede decir que el uso de las clases G son muy restrictivas y aumentan
los costes de equilibrado de conos, pero que sirve para que el usuario
que adquiere el cono tenga una garantía de su correcto equilibrado. Aún
así, existen numerosas discrepancias sobre la extrapolación de esta
norma.
Por último, para minimizar el desequilibrio del conjunto herramienta –
cono (y pinza si existe), se puede:
* Minimizar el runout de la herramienta
* Siempre que sea posible, utilizar herramientas cortas
* Manipular el conjunto con sumo cuidado.
Electromandrinos de altas prestaciones para MAV
Las cabezales de alta velocidad son elementos críticos si se quiere
emplear el mecanizado a alta velocidad. La firma Goialde-HS y el Centro
Tecnológico Fatronik así lo han entendido y presentan a continuación un
detallado análisis acerca de los electromadrinos, que incluye las
necesidades de los usuarios finales.
Redacción MU
Los fabricantes de máquinas herramienta están continuamente
recibiendo demandas de mayor productividad y calidad en el proceso de
mecanizado. Para hacer frente a estas demandas, los fabricantes están
ofertando máquinas con mayores velocidades de avance y de giro de los
cabezales a fin de conseguir un incremento en el caudal de viruta
eliminado. Este proceso de mejora continua de las prestaciones de las
máquinas herramienta involucra sobre todo al accionamiento y amarre
de la herramienta, es decir, al cabezal. El cabezal es, por consiguiente,
uno de los componentes críticos en este proceso de mejora continua de
las prestaciones de las máquinas herramienta.
Históricamente los cabezales se han concebido para bajas velocidades de
corte y elevados pares. Estos requerimientos, sin embargo, sólo son
válidos para procesos de mecanizado convencionales de acero y otros
materiales con elevadas fuerzas específicas de corte. Sin embargo, los
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procesos de corte están evolucionando hacia mayores velocidades de
corte de manera que disminuyan los requerimientos de fuerza y par. Por
todo ello 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. 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.
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.
Tabla 1. Requerimientos de los usuarios por sectores
1. 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.
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.
Tabla 2. Características de dos electromandrinos
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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
2. Electromandrinos de Goialde HS
En la Tabla 2 pueden verse dos ejemplos de electromandrinos de Goialde
HS, así como su campo de aplicación.
3. Conclusiones
Los cabezales de alta velocidad son los componentes más críticos a la
hora de implementar el mecanizado a alta velocidad. 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
Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de
Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. INTRODUCCIÓN
En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía
mecánica se transforma en energía térmica a través del cizallamiento,
corte y fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento de la
herramienta. Aunque gran parte de la energía es evacuada por las
virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al punto de corte y a la
cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación
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de energía provoca fenómenos no deseados en el proceso de
mecanizado:
a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.
b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisión
geométrica disminuye debido a la expansión de la herramienta y de la
pieza con el calor.
En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales:
lubricación, refrigeración y retirada del material excedente
Lubricación: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la
herramienta mediante la disminución de la fricción entre la cara de
incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así como entre la
cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan
directamente en el punto de fricción, creando una capa protectora en esa
zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramienta y la
pieza.
Refrigeración: Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado
durante el proceso por el rozamiento entre pieza y herramienta, además
del calor generado por deformación plástica en el proceso de formación
de la viruta.
Retirada del material excedente. La evacuación y transporte de las
virutas es una de las funciones más importantes de los fluidos
lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la
pieza e influyen en la precisión final del componente mecanizado. Por
otra parte, las virutas tienen un alto impacto en la vida de la herramienta
cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas
en el punto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de
descascarillado en los filos de corte.
2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES
Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes más
efectivos en términos de productividad de los procesos de mecanizado,
aunque también tienen un factor indeseable.
En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental
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de los procesos de fabricación han sido objeto de amplios estudios y
consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo
se vuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan
debido al calor generado en el proceso de corte. Los lubricantes poseen
gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfúrico)
que tienen alta influencia no sólo en la salud de los operarios sino
también en el posterior tratamiento y almacenaje de los residuos.
3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES
En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos
aspectos que hacen a este proceso un tanto peculiar en referencia al uso
común de lubricantes y refrigerantes.
En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta
es extremadamente corto debido a la alta velocidad de giro del cabezal,
por lo que la transferencia de calor a la herramienta es también pequeña
y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de
lubricación. Esta presunción es siempre dependiente del material que
estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende del
coeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a
la mayoría de aceros, en algunos tipos de aleaciones ligeras (aluminio y
magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleaciones de
baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).
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
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condiciones de ausencia de lubricación. Estos materiales de
recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen
incrementos de vida de herramienta de entre el 30 y el 70%. Sin
embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben
ser consideradas como particularmente críticas.
En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100%
por cualquier razón tecnológica, el mecanizado MQL proporciona una
alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que la
cantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 -
0.5 ml/min, tanto la herramienta como la pieza permanecen secas, con lo
que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así
como los riesgos a la salud de los operarios.
|
Sistemas de lubricación MQL externo e interno |
En el mecanizado con lubricación MQL la función de refrigeración se
consigue a través de la gran cantidad de aire que se insufla en la zona de
corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza se
consigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.
Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad
Xabier Sabalza, Ramón Uribe-Etxeberria
Ideko Centro Tecnológico
1. Introducción
La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a
procesos de mecanizado en los cuales la velocidad de corte se ha
incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a
gran parte de las tecnologías implicadas en el proceso de corte.
Uno de los elementos clave es, evidentemente, la máquina herramienta,
a la cual se le exige un mayor grado de rapidez y precisión, lo que hace
que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren una
importancia fundamental en el buen hacer de la misma.
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Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades
de avance superen los 100 m / min, y más importante quizás que el valor
del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando se mecanizan
formas complejas, considerándose necesarios valores de al menos 1g o
incluso mayores.
Hoy por hoy, la tecnología de los accionamientos en máquina
herramienta está dominada por los servomotores rotatorios usados en
conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisión
como los husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo
dichos componentes los que limitan en la actualidad los valores de
velocidad y aceleración alcanzables. Los motores lineales juntamente con
potentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de
prestaciones para máquinas herramienta de alta velocidad.
2. ¿Qué es un motor lineal?
La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un
motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de
sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.
Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un
elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento
secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer,
aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios
primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los
motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto
con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador
electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.
Integración de un motor lineal en un carro de máquina herramienta.
3. ¿Qué ofrecen los motores lineales?
Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos,
el valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras
en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una
longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una
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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
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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.
4. Conclusiones
Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las
transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales,
proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad,
aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes
ventajas, abriéndoles un amplio campo de aplicación y de futuro. Sin
embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos
rotatorios de forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales
en diseños ya existentes, sino que es necesario realizar un completo
rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que
ofrecen. Es necesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y
tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevos desarrollos.
Controles numéricos para MAV
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Xabier Sabalza, Ramón Uribe-Etxeberria
Ideko Centro Tecnológico
1. INTRODUCCIÓN
Las aplicaciones de alta velocidad en máquina herramienta exigen un
nivel mínimo de prestaciones a los CNCs que gestionan el proceso de
mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altas
velocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de precisión
requerido.
El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el intérprete del
programa, el cual descifra el programa escrito en formato ISO de manera
que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado en el
interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es
necesario realizar una serie de transformaciones como compensación de
la geometría de la herramienta, escalado, rotación, cinemática de la
máquina, etc. Después, el interpolador actúa enviando a los servos las
consignas adecuadas.
En aplicaciones de contorneado, la forma más habitual de especificar las
trayectorias que debe seguir la herramienta está basada en la generación
de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan interpolaciones
lineales. Cuanta más precisión se exige, mayor es el número de puntos, y
el hecho de tener que procesar toda esa cantidad de información con
precisión y a gran velocidad impone la adopción de soluciones
específicas en los controles numéricos para alta velocidad.
EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los
diferentes errores que se producen dentro de las tolerancias
establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como
cabe esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de
avance que se requieren. En los siguientes puntos se analizan las
prestaciones que puede disponer un CNC para trabajar en alta velocidad.
Existen en el mercado numerosos fabricantes de CNCs especialmente
diseñados para el mecanizado de alta velocidad, entre ellos podemos
citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num,
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etc.
|
CNCs Fidia para alta velocidad |
2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD
3.1. Tiempo de ciclo del servoaccionamiento
El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre
entre cada medida de posición y actualización de la consigna que el CNC
envía a los diferentes servoacionamientos.
El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede
obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o
viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas
determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para
una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclo del servo de 1
ms, se tiene que por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se
ha movido 0,2 mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs
dispongan de tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con
precisión con valores de avance rápidos.
El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en
cuenta para mecanizar rápido con precisión. Los CNCs para alta
velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del
orden de unos 100s.
3.2. Tiempo de proceso de bloque
El tiempo de proceso de bloque es el mínimo tiempo que transcurre
entre la ejecución de dos bloques del programa de CNC. El tiempo
proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar
un dato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias
(compensaciones, transformaciones...), y además iniciar y terminar el
movimiento en cuestión. En alta velocidad, y especialmente para
aplicaciones de contorneado, es habitual exigir tiempos de proceso de
bloque de 1 ms.
La velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisión
determinada depende de la capacidad de aceleración de la máquina.
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Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de la
capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de
ejecución del mecanizado.
Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales
El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, permite a
éste disponer de más información sobre el estado de los accionamientos
así como influenciar el comportamiento de los lazos. Los accionamientos
digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:
Alta resolución digital en la monitorización de la
velocidad y la trayectoria.
Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:
Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también
conocidos como feed-forward de velocidad y aceleración. Se trata de
controles en avance que permiten una importante reducción de los
errores de seguimiento ante cambios de consigna.
Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la
amortiguación del sistema electromecánico para poder incrementar el
valor de la ganancia Kv del lazo de posición y trabajar con un mayor
grado de precisión.
Compensaciones de fricciones estáticas y holguras
Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo
osciloscopio o analizador de frecuencias integrados.
Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal
(DSP), tales como la implementación de filtros digitales.
3.3. Look-Ahead
Quizás una de las prestaciones más importantes de la que es necesario
que cualquier CNC disponga para trabajar en alta velocidad sea la
función “look-ahead” (mirar en adelanto). En la función Look-Ahead el
procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los
movimientos de los ejes que aparecen en el programa de pieza que se
está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde,
permitiendo a la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la
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máquina mantener el avance a valores relativamente altos evitando
marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y
paradas de la máquina, por medio de ir ajustando la velocidad mirando
el programa por adelantado.
| |
Look ahead: Fuente Siemens | |
No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por
adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia en función de los detalles
de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la
máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina
(menor aceleración), mayor número de bloques Look-Ahead serán
necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en Look-Ahead que
el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde
potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones
innecesarias. El número típico en alta velocidad está por encima de 100
bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000
bloques.
3.4. Control de aceleraciones
El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la
mecánica de la máquina herramienta y provoca vibraciones en los ejes.
Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo
que hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que
tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el comportamiento
de la máquina.
| |
Perfiles de aceleración | |
Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la
aceleración, sustituyendo la curva trapezoidal por una curva en forma de
campana, por ejemplo una función sen2.
Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble
beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida
la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de
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vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar
el valor de la velocidad y reducir el error.
3.5. Capacidad de almacenamiento. Ethernet.
Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM
para el mecanizado de piezas en 3D, ocupan varios megas de memoria
debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.
Los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las
cuales proporcionan discos duros con capacidades de almacenamiento
de gigas, por lo que el problema del espacio que existía antiguamente ya
no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las
ventajas añadidas que supone una conexión de este tipo en cuanto a la
transmisión y utilización de cualquier tipo de información.
3.6. Interpolación polinómica. NURBS.
Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemáticos que
definen exactamente una curva o superfice a partir de varios puntos de
control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unos pesos
asociados a los mismos. Los pesos actúan esencialmente como la
gravedad, produciendo deformaciones en la dirección de los puntos de
control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor será el
número de puntos de control que deberá especificarse, pero, en todo
caso, el número de puntos generados será menor que el necesario
utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. La reducción en
el número de puntos manejado en las curvas habituales está en una
proporción de entre un 30 y un 50%.
El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa
evidentemente de la disponibilidad de un CNC con interpolador
polinómico, capaz de procesar la información codificada en esta forma.
| > | |
Ejemplos de curvas NURBS |
Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con
NURBS para la definición de curvas y superficies. La disponibilidad de un
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CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminación de un paso
intermedio generador de error a la hora de aproximar una trayectoria
curva a una de multitud de tramos rectos, con el consiguiente
incremento de la calidad superficial, disminución de la talla del fichero de
la trayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.
La reducción del volumen de datos que se obtiene con la especificación
de las trayectorias mediante NURBS tiene importancia en el caso de
utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hasta
fechas recientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y
con la posibilidad de aplicar la función look-ahead, diluyen algunas de las
ventajas del uso de los NURBS.
En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a
desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de
ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los
CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a
velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la
capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema
electromecánico.
3. CONTROLES ABIERTOS
Los fabricantes de CNC's actuales están apostando cada vez más por los
denominados controles abiertos, los cuales básicamente aprovechan la
arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias,
poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.
La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos
sistemas abre enormemente las posibilidades de los CNCs actuales. De
esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado para
el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por
tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se
solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes,
diferentes de los fabricantes de CNCs.
4. CONCLUSIÓN
Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el
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mecanizado de alta velocidad, cabe destacar la necesidad de disponer de
CNCs con tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo de servo que,
junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas
aceleraciones y velocidades de los ejes. También hay que subrayar la
necesidad de disponer de algoritmos de look-ahead para obtener altas
velocidades de ejecución de los programas.
Los CNC y el MAV
Xabier Sabalza
Ideko Centro Tecnológico
El mecanizado de alta velocidad es un término muy en boga en la
actualidad en el campo del mecanizado por arranque de viruta. Tanto es
así que se puede encontrar en boca de los fabricantes de máquinas
herramienta, de los suministradores de la mayoría de los elementos que
las componen (accionamientos, controles, herramientas, rodamientos,...),
de los vendedores de paquetes CAD/CAM, de cualquier artículo de la
prensa especializada, y evidentemente, de los usuarios de las máquinas.
Dicha técnica hace referencia a una serie de procesos de mecanizado en
los cuales la velocidad de giro del cabezal se ha incrementado de manera
notable, y para cuya consecución se ven implicadas una serie de
métodos y tecnologías avanzadas en el diseño, construcción y utilización
de 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. El presente artículo trata
de poner un poco de luz en éste último aspecto.
CNCs Fagor para alta velocidad
1. INTRODUCCIÓN
El término “alta velocidad” aparece frecuentemente utilizado en la
literatura especializada con diversos significados. No existe una
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definición precisa, siendo un término general que se aplica a un amplio
rango de operaciones de mecanizado en las cuales la velocidad de giro
del cabezal se ha incrementado de manera notable. Esta ampliamente
aceptado considerar alta velocidad al mecanizado con cabezales que
posean un rango de funcionamiento por encima de las 8.000 rpm.
En la práctica, el mecanizado de alta velocidad consiste básicamente en
sustituir pocas pasadas lentas de gran profundidad de corte por muchas
pasadas rápidas de menor profundidad de corte, obteniéndose un
importante incremento en la cantidad de material desalojado. En la
actualidad es posible encontrar máquinas con velocidades de cabezal del
orden de 20.000 rpm, pudiendo llegar incluso a 50.000 rpm en algunas
máquinas comerciales y a 100.000 rpm en prototipos de laboratorio.
Tal y como se ha mencionado, el incremento de la velocidad de giro del
cabezal debe de ir acompañado de un incremento de la velocidad de
avance de los ejes. Sin embargo es quizás más importante disponer de
valores altos de aceleración que de velocidad, pudiéndose encontrara
actualmente valores típicos del orden de 1g, aunque pueden llegar a
verse máquinas con valores de 2g e incluso más.
La capacidad de aumentar de forma notable la velocidad de arranque de
viruta conlleva la clara ventaja de disminuir el tiempo de mecanizado.
Este factor es especialmente importante en aplicaciones que involucran
operaciones de mecanizado de contornos complejos, como es el caso de
los moldes.
Por otro lado, el empleo de una mayor velocidad de corte permite
reducir el grosor de la viruta arrancada sin pérdida de tiempo en el
proceso de producción, lo que revierte en el incremento de la vida de las
herramientas, y en el incremento de la precisión del mecanizado,
pudiendo así eliminarse etapas finales de acabado superficial.
De los varios sectores industriales con amplia aplicación del mecanizado
de alta velocidad destacan principalmente: el sector aeronáutico, debido
sobre todo a las altas velocidades aplicables en el mecanizado de
aluminio, el sector del molde y troquel, por la eliminación del proceso de
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acabado, y el de automoción, debido al notable aumento de la
productividad que es posible obtener.
Junto con estas ventajas, la alta velocidad también impone un cierto
número de requerimientos prácticos que deben de cumplir los
elementos que componen la máquina herramienta: mecánica,
accionamientos y control. Desde el punto de vista mecánico es necesario
dotar a la máquina de una rigidez elevada, además de cuidar aspectos
relativos al cabezal y a las herramientas (rodamientos, equilibrado,...).
Los accionamientos deben de posibilitar la obtención de las velocidades y
aceleraciones requeridas, por lo que es necesario optimizar al máximo
sus prestaciones, sin olvidar el posible uso de nuevos tipos de
accionamientos tales como los motores lineales. Las secciones siguientes
describen los requerimientos relativos al control numérico.
2. ¿CÓMO TRABAJA EL CNC?
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.
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
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cabe esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de
avance que se requieren.
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.
El hecho de tener que procesar una gran cantidad puntos con precisión y
a gran velocidad impone la adopción de una serie de soluciones en los
controles numéricos para alta velocidad.
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. Es posible incurrir en errores
ya que muchos lo denominan tiempo de proceso de bloque, el cual es el
mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques de
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programa (también se mide en bloques por segundo). Hay que tener
cuidado de saber a que se está refiriendo cuando se menciona el tiempo
de proceso de bloque. El tiempo de ciclo del servo (servo cycle time) está
más bien relacionado con el interpolador, y el tiempo de proceso de
bloque (block cycle time) con el intérprete de programa.
El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede
obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o
viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas
determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para
una velocidad de avance de 6 m/min y tiempo de ciclo del servo de 1 ms,
se tiene que
por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se ha movido 0,2
mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs dispongan de
tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con precisión con
valores de avance rápidos.
Tiempo ciclo servo tcs
(ms) | Ciclos/s.
1/ tcs | Dist. ciclo para
f = 3 m/min
(mm) | Dist. ciclo para
f = 10 m/min
(mm) | Dist. ciclo para
f = 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
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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.
Las exigencias en cuanto a velocidades de avance irán incrementándose
paulatinamente, ya que el resto de tecnologías implicadas en los
procesos de alta velocidad así lo permiten.
El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en
cuenta para mecanizar rápido con precisión.
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.
No hay que confundir este tiempo con el tiempo de ciclo de servo, ni con
el tiempo que tarda el CNC en interpretar una línea de bloque de
programa. 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. Entonces, quizás
haya menor lugar a dudas si se habla de los bloques por segundo que
puede ejecutar el CNC.
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. 1 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. 1 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
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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.
Como se ve en la figura, el error que se comete al aproximar por tramos
rectos un arco de máxima aceleración centrípeta es máximo en el punto
medio del segmento. En este punto, la distancia recorrida es igual a V·
(T/2).
Utilizando equivalencias trigonométricas, se puede demostrar que el
error cordal E es
Por lo tanto, el tiempo de ejecución es directamente proporcional al error
e inversamente proporcional a la aceleración de la máquina
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
En el trabajo en alta velocidad, unos de los principales factores
limitadores son los aspectos electromecánicos de la máquina. Esto obliga
a exprimir al máximo las prestaciones que se puedan obtener de los
accionamientos.
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.
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· 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.
No existe un estándar para interfaces digitales, existiendo una amplia
variedad en el mercado, lo que exige restringe el abanico de selección de
la pareja CNC-accionamientos. Muchos de los interfaces están
implementados en fibra óptica, lo que les aporta además inmunidad ante
la polución electromagnética.
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
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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.
Fig. 2.- Ejemplo de aproximación por segmentos rectos
Como se ve en la Fig. 2, la desviación cordal es el error que se comete al
aproximar una curva por una serie de tramos rectos. Cuanta más
precisión se necesita, menor tienen que ser la desviación cordal y por
tanto mayor es el número de puntos. En la practica de los mecanizados
en 3D, si se quieren obtener buenos resultados con elevada precisión y
buen acabado, la densidad de puntos que definen el mecanizado es muy
alta y están muy juntos entre sí.
Si los puntos están muy juntos entre sí es muy posible que, con las
velocidades de avance con las que se trabaja, se produzcan
sobrepasamientos durante el mecanizado, debido a la precisión que
proporciona el tiempo de ciclo del servo. Si el CNC solo mira un punto en
avance, solo dispone de la distancia que le proporciona un punto para
decelerar la máquina.
Fig. 3.- Ejemplo de aplicación del Look-Ahead. Sin activarlo, la velocidad
de avance que se alcanza es muy baja, muy lejos de la programada
Otro error común que aparece cuando no se utiliza Look-Ahead es el
redondeado de las esquinas. En este caso aparecen redondeos de aristas
vivas debido al esfuerzo del control de ejecutar el programa de forma
rápida, saltando de un bloque al siguiente antes de que el predecesor se
haya completado.
También es frecuente el caso en el que la máquina se mueve de modo
discontinuo, con continuos arranques y paradas en las zonas con mucha
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densidad de datos, ya que el CNC no es capaz de procesar los bloques
del programa lo suficientemente rápido como para mantener el avance.
La solución a este problema pasa siempre por disminuir el valor del
avance. 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. 4 El Look-Ahead adapta la velocidad en función del perfil a
mecanizar.
No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por
adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia según son los detalles de
la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la
máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina
(menor aceleración), mayor número de bloques look-ahead serán
necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en look-ahead que
el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde
potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones
innecesarias. Un número típico en alta velocidad es por encima de 100
bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000
bloques.
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
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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. 5 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,
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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
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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. 6.- 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.
Seria por tanto deseable que el CNC pudiese importar directamente las
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curvas definidas en el CAM en la forma de NURBS, sin que tenga que
haber aproximación geométrica alguna. Como cualquier forma libre
puede ser descrita con una única curva, la talla de los programas se vería
drásticamente reducida y las limitaciones de proceso de bloque serian
irrelevantes.
Para ello, algunos CNCs disponen de un interpolador NURBS, pero hay
limitaciones prácticas en el grado de los NURBS que se pueden utilizar. El
trabajo con programas e interpoladores NURBS reduce la talla física de
los programas entre un 30 y un 50%, elimina los tiempos de espera del
CNC, mejora el comportamiento en las discontinuidades de la trayectoria
y, gracias a una más rápida interpolación con la trayectoria real, el
mecanizado es más preciso, obteniéndose importantes mejoras en el
acabado superficial.
No todos los fabricantes de CNC utilizan una interpolación polinómica del
tipo NURBS para mejorar diferentes aspectos del mecanizado, y no todas
las representaciones NURBS son únicas. Existe ya un debate de cual es el
mejor interpolador polinómico.
Sin embargo, muchos programas de CAM ofrecen la posibilidad de
definir las trayectorias de salida en los formatos NURBS utilizados por los
principales fabricantes de CNC. También existen posprocesadores que
transforman curvas definidas punto a punto en curvas NURBS.
La interpolación polinómica es una nueva tecnología con aspectos en los
que es necesario seguir trabajando, especialmente por los
desarrolladores de paquetes CAD/CAM, CNCs y constructores de
máquina herramienta, aunque aparece ya como una herramienta con
futuro en el contorneado. Hoy por hoy, permite obtener mejoras en el
tiempo de mecanizado y en el acabado superficial.
Sin embargo, la utilización de CNCs de última generación actuales, así
como algunas otras consideraciones, diluyen algunas de las ventajas de
los NURBS y de la interpolación polinómica:
Una trayectoria de herramienta representada en NURBS a partir de la
intersección de un plano con una superficie NURBS (acción típica del
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CAM) no es exacta, siendo necesario utilizar un factor de tolerancia
similar a la desviación cordal, lo que causa también una pérdida de
precisión.
El elevado número de bloques que tiene que ejecutar un CNC en una
representación punto a punto no supone un problema para los CNCs de
ultima generación, ya que la velocidad de proceso de bloque se ha
incrementado de modo considerable (del orden de 10 – 20 ms a 1 ms)
La reducción de la talla de los programas pieza representados en NURBS
no presenta una ventaja considerable hoy por hoy, debido a la gran
capacidad de almacenamiento de los actuales CNCs, así como por la
posibilidad de disponer de conexiones de red de alta capacidad de
transmisión.
Las representaciones en NURBS de líneas y superficies no son fáciles de
interpretar, lo que hace prácticamente imposible la edición de programas
pieza directamente en máquina por parte del operario.
En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a
desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de
ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los
CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a
velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la
capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema
electromecánico.
Controles abiertos
Aunque no tienen una relación directa con la alta velocidad, los
fabricantes de CNCs 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
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tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se
solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes,
diferentes de los fabricantes de CNCs.
Los desarrolladores disfrutan de un entorno más amigable, con unas
herramientas de desarrollo más potentes y con una oferta enorme de
paquetes comerciales. Todo ello facilita considerablemente el trabajo,
permitiendo afrontar aplicaciones mucho más complejas, difícilmente
abordables con los CNC tradicionales en los que desarrollos están
limitados a la utilización de herramientas propias de los fabricantes de
CNCs. La aplicación de las nuevas tecnologías de informática avanzada
(sistemas expertos, lógica difusa, redes neuronales), multimedia y de
telecomunicaciones puede incorporar un gran número de prestaciones
potenciales a un coste relativamente bajo.
Es posible integrar en el CNC servicios hasta hace poco tiempo
impensables o muy difíciles de abordar. La variedad es muy amplia,
desde la implantación de nuevas funcionalidades basadas en estándares,
pasando por la incorporación de ayudas que faciliten la implantación de
nuevos conceptos o filosofías en las empresas, hasta la integración de
servicios más convencionales, como pueden ser la asistencia al
diagnóstico, el mantenimiento predictivo, los servicios de gestión remota,
algoritmos avanzados de generación de trayectorias, de mecanizado de
piezas complejas o de compensación por deformaciones térmicas.
Otras prestaciones
Aunque no son exclusivamente necesarias para el trabajo a alta
velocidad, las grandes inversiones que requieren estos sistemas hace
que sea en la práctica necesario que cualquier equipo de control CNC
disponga de una serie de prestaciones adicionales.
* Compensaciones: El CNC debería permitir de disponer de una serie de
compensaciones que permitan conseguir altas precisiones. Entre ellas
figuran:
* Compensación de los errores térmicos inducidos por la alta velocidad y
generación de calor en los cabezales y ejes
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* Compensación de los errores de fricción en el cambio de cuadrante
* Compensación de los errores de husillo y del sistema de medida
* Transformaciones de 5 ejes: Cuando se utilizan herramientas cilíndricas
o toroidales en máquinas de 5 ejes es necesario orientar la herramienta
para obtener las máximas prestaciones de corte asegurando la calidad.
El control debe de permitir trabajar en coordenadas de pieza en lugar de
en coordenadas de máquina, encargándose de realizar las
transformaciones oportunas, así como correcciones de la geometría de la
herramienta.
3. CONCLUSIÓN
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. 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.
Es de destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rápidos de
proceso de bloque y de ciclo de servo que, junto con unos
accionamientos adecuados, permitan trabajar con elevadas
aceleraciones y velocidades de los ejes. También hay que subrayar la
necesidad de disponer de algoritmos de Look-Ahead para obtener altas
velocidades de ejecución de los programas de mecanizado.
Los fabricantes de CNCs se están decantando por arquitecturas
multiprocesador con la parte de interface con el usuario basada en PC,
utilizando Windows como sistema operativo, facilitando así su apertura.
El gran avance experimentado en estos últimos años por los CNCs ha
hecho que éstos dejaran de ser el elemento limitador en la velocidad de
los procesos de mecanizado.
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El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida en
máquinas para el mecanizado de alta velocidad
En este artículo se profundizará en el estudio de los controles numéricos
y los requerimientos de los mismos para aplicaciones de alta velocidad.
Sabemos que los datos CAM han de ser producidos de una forma
especial para poder conseguir los resultados esperados de la
mecanización de alta velocidad. Ahora se verá como se pueden
transmitir estos datos al control numérico, como esté los ha de procesar
para conseguir las velocidades y precisiones deseadas, y finalmente,
como los servomotores han de accionar los ejes, y los sistemas de
medida transmitir la información necesaria para cerrar el lazo de control.
Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano
Almoril
1. Transmisión de datos del CAM al control numérico
Al capítulo dedicado a la generación de datos al sistema CAM se ha visto
que los requerimientos de precisión de la trayectoria para obtener
buenas superficies de acabado nos obliga a producir una cantidad de
datos CAM muy superiores a los habituales.
El problema del tamaño de los archivos CNC (control numérico) que se
generan en el CAM existe desde que el CAD/CAM comenzó a implantarse
en el campo de las formas de mecanización 3D ahora hace unos años.
Hoy en día, con la mecanización de alta velocidad, este tamaño todavía
se ha multiplicado.
2.1. Sistemas DNC
Los sistemas CNC clásicos, de los cuales se venden todavía en un tanto
por ciento muy elevado en el mundo, no disponen de comunicaciones
eficientes para transmitir la gran cantidad de dados generados al CAM ni
tampoco memoria suficiente para almacenarlos.
Uno de los sistemas más vendido y económico del mundo, el Fanuc 0M,
dispone como máximo 256 kB de memoria y la transmisión de datos
desde un computador externo al CNC se hace mediante comunicación
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serie por el puerto RS-232 a velocidades máximas de 19200 bauds
(bits/segundos). No sólo Fanuc comercializa este tipo de control, otros
fabricantes tienen modelos competencia que desarrollan características
similares.
Supongamos un programa de 12 MB de memoria que hemos de ejecutar
a una máquina con el sistema Fanuc-0M. Como la memoria del CNC no
es suficiente hacemos servir el disco duro de un computador externo
como almacenamiento de los datos. Los datos se transmiten entonces
con la RS-232 a 19200 bauds. Haciendo un simple cálculo vemos que
para transmitir el programa necesitamos:
Ecuación 1
Que es un tiempo claramente excesivo sólo para transmitir los datos a la
máquina. Es por esto que el CNC ejecuta los datos a medida que los va
recibiendo y una vez ejecutados los elimina dejando espacio en la
memoria para nuevos datos. El CNC funciona entonces como un simple
ejecutor de bloques. Esto es el que se denomina comunicación DNC.
Este sistemas tiene muchos inconvenientes:
* Los datos transmitidos por la RS-232 pueden recibir interferencias con
la consecuente posible destrucción de la pieza en el caso de pérdida de
información. La posibilidad de interferencias aumenta con la distancia de
la línea de RS-232. Para no hacerla muy larga a menudo se instalan
computadores al lado de las máquinas, pero el ensuciado afecta su
fiabilidad.
* A menudo los requerimientos de avances en la mecanización de alta
velocidad pueden superar claramente el caudal de datos de la RS-232.
Siguiendo con el ejemplo anterior si el programa necesita unos avances
F=3000 mm/min y una distancia entre puntos d=0,1 mm, y suponiendo
que un bloque ó punto ocupa una memoria de Mbloc = 120b, la máquina
habría de recibir los datos a una frecuencia f de:
Por lo tanto se comprueba claramente que para una ecuación con
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exigencias elevadas las frecuencias de transmisión de datos son
claramente insuficientes.
Esta claro entonces que estos sistemas de transmisión de datos son
inútiles para las exigencias de la mayor parte de las mecanizaciones de
hoy en día, las convencionales y las de alta velocidad.
A título personal nos sorprenden que todavía hoy en día estos sistemas
estén tan extendidos entre los productores de moldes y matrices, y que
todavía muchas empresas de comunicaciones ofrezcan sistemas de
gestión de la producción basados en estos sistemas arcaicos y lentos de
transmisión de datos.
2.2. Comunicaciones Ethernet y grandes almacenamientos de memoria
En contraposición a los sistemas DNC clásicos , los centros de
mecanización de alta velocidad han de instalar comunicaciones
informáticas rápidas y almacenamientos de los programas directamente
al Cnc de la máquina.
En este sentido casi todos los controles llamados de alta velocidad
integran un puerto de comunicación Ethernet con conexiones físicas RJ-
45 (y hasta ópticas) que permiten la comunicación entre el servidor del
programa y el CNC de al menos 10 MB/s. Las líneas modernas soportan
hasta 100MB/s pero muchas de las unidades de los CNC de las máquinas
soportan 10 MB/s. Esto se ha de tener en cuenta e instalar sistemas de
comunicaciones “dual-speed” por 10 y 100MB/s.
Los controles incorporan a ,as a más discos duros de cientos de MB o GB
que pueden sin problemas almacenar todo el programa entero. Estas
unidades de almacenamiento tienen acceso directo al CNC mediante un
bus de datos de 32 o 64 bits a frecuencias de unos cuantos cientos de
MHz.
Con estas propiedades la transmisión de los programas no suponen
ningún problema para los CNC independientemente de su volumen. El
objetivo será entonces procesar y ejecutar estos datos lo más
rápidamente posible, como veremos en el apartado 2.
A continuación se muestra un esquema de la solución planteada:
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Fig. 1.- Esquema de comunicaciones Ethernet y almacenamientos en
disco duro.
2.3. Formato cartesiano y NURBS
En general el formato de los datos de salida del CAM al CNC es de ejes
cartesianos y básicamente consisten en interpolaciones lineales (G1/G0)
o interpolaciones circulares (G2/G3). Estos datos son los más utilizados
en programas producidos por los sistemas de CAM y son generalmente
utilizados por todos los sistemas de CNC.
Estos tipos de interpolaciones se han ajustado lineal o circularmente a la
geometría de las trayectorias programadas del sistema CAM. Si se quiere
obtener resultados con acabados superficiales de Ra <0,8 mm, y
precisiones de < 0,01 mm, se necesita un ajuste lineal de la trayectoria
con un error cordal de al menos 1 grado inferior . Esto es, con un error
máximo entre la curva teórica y la línea o curva circular real de menos de
0,001 mm. Por lo tanto una gran cantidad de datos que serán dificiles de
procesar por el control numérico.
Hace ya algunos años que se adopto otra solución para ajustar las
trayectorias llamadas NURBS.
El NURBS es un ajuste de trayectorias que utiliza B-splines no uniformes
en lugar de líneas o curvas circulares. Las siglas NURBS vienen del ingles “
Non- Uniformal Rational B-Splines”. Estas representan una ecuación
polinómica de grado superior y su representación gráfica es una curva
compleja . El formato de estos datos se muestra en la figura 1.
Fig. 2.- Formato de los datos NURBS
Donde:
G06.2 : Activación interpolación NURBS. Este termino es propio de cada
CNC y se ha de ajustar al post-procesador del CAM.
X,Y,Z : Puntos de control
R : Peso
K : Nodo
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La interpolación NURBS tiene algunas ventajas respecto al sistema
coordenado.
* La definición de una trayectoria es generalmente más corta con
interpolaciones NURBS que con interpolaciones lineales o circulares. El
programa de CNC, por lo tanto también.
* La precisión de la pieza que queremos fabricar es mejor que utilizando
sistemas cartesianos que ocupen la misma memoria.
Esto es debido a que los sistemas de CAD utilizan B-splines para definir
las curvas complejas en su diseño y por lo tanto los datos que salen del
CAM no son aproximaciones de la geometría sino la geometría exacta. En
la figura 2 se muestra este echo:
Fig. 3.- Esquema de la interpolación NURBS entre el CAD, CAM y CNC
Para conseguir la misma precisión en los datos en formato cartesiano
tendríamos que definir en teoría infinitos puntos.
- El seguimiento de los ejes de la máquina es normalmente más suave
que con interpolaciones lineales, generalmente por lo tanto, mejor
acabado superficial.
Todas esta ventajas son verdad dependiendo de la geometría de las
trayectorias a ejecutar. En general:
* Si las trayectorias son muy lineales esta claro que la interpolación
NURBS no mejora las características de la lineal.
* Si las trayectorias son muy enrevesadas (muchos cambios de dirección
en muy poco espacio) La interpolación NURBS puede llegar a generar
archivos incluso más grandes que los archivos de interpolación lineal y
circular.
* La interpolación NURBS es más favorable cuanto más suave y continua
es la geometría compleja de 3D.
2. Procesamiento de datos en el CNC
Una vez los datos están ya almacenados en el control numérico y se
quiere ejecutar el programa, el control comienza a procesar los datos.
El proceso de datos en el CNC incluye la traducción de los bloques del
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programa al lenguaje máquina y la ejecución de estos datos por el
servosistema CNC amplificador-motor.
La rapidez con el que un sistema pueda procesar los datos es una buena
medida para valorar la adecuación del mismo para la mecanización a alta
velocidad.
3.4. Tiempo de procesado
El tiempo de procesado es entonces el tiempo en que un sistema CNC-
servomotor puede ejecutar un orden en formato de programación de
CNC.
Para valorar si un sistema CNC-servomotor es suficientemente rápido
para ejecutar un cierto trabajo se puede calcular el tiempo de procesado
que se necesita para las condiciones de avance del programa mediante:
Ecuación 3
Donde: d es la distancia media entre un punto y punto del programa
(mm)
F es el avance de programación (mm/min)
Tprocesado se mide en ms
Entonces, siguiendo el ejemplo del apartado 1.1:
Ecuación 4
Que es un valor muy exigente para la mayoría de los sistemas CNC-
servomotor del mercado. El valor que típicamente se anuncia en estos es
pero la cantidad de bloques por segundo (BPS) que se puede ejecutar, o
sea la frecuencia derivada del Tprocesado . Entonces:
Ecuación 5
Cuando se intenta comparar diferentes sistemas del mercado se ha de
asegurar que el fabricante del CNC nos esta diciendo el tiempo de
procesado total del bloque y no sólo el tiempo para traducir los bloques
a lenguaje máquina antes de transmitirlos al servomotor. Por desgracia
esto se hace a menudo por los fabricantes de CNC que no tienen
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integrada la fabricación de servomotores, y anuncias valores del orden
de 1000 a 2500 bloques/s cuando los sistemas más avanzados CNC-
servomotor como el Fanuc 16iM tiene ciclos de 1,5 ms (ó sea 666
bloques/s).
3.5. Control de la trayectoria
Una vez procesados los datos en lenguaje ISO procedentes del sistema
CAM, y después de ejecutar los algoritmos de interpolación al CNC
(eventualmente, circulares ó NURBS) se obtienen comandos de posición
para cada uno de los ejes. El servosistema de control de posición actúa
como se indica en la figura 4 del esquema siguiente:
Fig. 4.- Lazo de control de un sistema CNC-servomotor analógico
El mando de posición procesado al CNC se transforma en mando de
velocidad (curvas de velocidad) que se transmiten a la etapa de control
del amplificador del servomotor. Esta se calcula con algoritmos los
comandos de tensión e intensidad que controla la parte de potencia del
amplificador que a la vez comanda el motor.
En este servosistema actúan algunos lazos. El mismo motor esta
servocontrolado por el amplificador mediante la corrientes (“current
loop”). El sistema de captación de la posición cierra el control de
velocidad (“speed loop”) con el amplificador mediante un derivador (los
datos son de posición y por lo tanto se han de derivar para encontrar los
datos de velocidad) y a la vez cierra el control de posición con el CNC
(“positioning loop”).
3.6.1. Error de seguimiento
El error entre la posición comandada y la posición real de la máquina se
denomina error de seguimiento y es fundamental a la hora de evaluar las
aptitudes de un sistema para controlar una máquina de alta velocidad.
El error de seguimiento es el mejor indicativo de la precisión dinámica de
un centro de mecanización. Tan importante es seguir una trayectoria con
la velocidad programada como hacerlo de forma precisa.
Teóricamente precisión del sistema esta determinada en parte por el
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tiempo de procesado en bloque. Si excluimos el tiempo de conversión de
los datos ISO en datos de comando de posición, y se denomina este
tiempo de ejecución (Tejecución (ms)) el error de seguimiento
(eseguimiento (mm)) del sistema se determina según:
Ecuación 6
Siguiendo con el ejemplo anterior y suponiendo que se trata de un Fanuc
16 iM donde el Tejecución » 1,5 ms.
Ecuación 7
Este valor es como ya se ha dicho teórico porqué no tiene en cuenta la
capacidad de la máquina para responder a estos comandos de par y
velocidad de los motores.
3.6.2. Ganancias del sistema CNC-servomotor
A cada uno de los lazos de realimentación del sistema y después de
calcular el error entre el valor teórico y el real, los algoritmos de cálculo
aplican unas ganancias de los comandos o señales para intentar
minimizar el error de seguimiento. El estudio completo de estas
ganancias no es objetivo de este trabajo pero hablaremos de la ganancia
G global del sistema.
La ganancia del sistema CNC-servomotor define la respuesta del eje del
centro de mecanización. Si aumenta la ganancia global G se reduce el
error de seguimiento del sistema y por lo tanto mejoran la precisión
dinámica de la máquina.
Si la cadena dinámica del accionamiento del eje del servomotor
(acoplamiento, tornillo a bolas, hembra y carro) no es suficientemente
rígida y el valor de G se aumenta, el servosistema puede llegar a acoplar
a la frecuencia natural del sistema mecánico produciendo vibraciones de
inestabilidad. La ganancia con el que se puede accionar el servosistema
esta por lo tanto limitado por la mecánica de la máquina y el error
dinámico que podemos conseguir con un determinado sistema de CNC-
sevomotores está determinado por la rigidez de este sistema mecánico.
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En el capítulo 8 se estudiara con más profundidad la rigidez del elemento
del sistema mecánico del accionamiento.
De toda manera los servosistemas utilizan elementos de otros elementos
de control para poder conseguir sistemas con un precisión como pide la
mecanización de alta velocidad. Estos se explican a continuación.
3.6.3. Filtros
Los filtros son operadores matemáticos que se aplican a menudo a
señales de para (corriente) y que actúan como a pasa-bajas. Limitan por
tanto la amplitud de las frecuencias más altas retardando así el efecto de
acoplamiento con la frecuéncia natural del sistema mecánico.
3.6.4. “Look ahead” y “feed-forward”
Estos sistemas son algoritmos que analizan la geometría de la trayectoria
de un nombre determinado de bloques por delante del que se esta
ejecutando (“look-ahead”) y prevén los cambios de avance de los ejes
(“feed-forward”).
Estos actúan paralelos a la cadena normal de control y modifican las
ganancias de posición y velocidad por tal de ejecutar una nueva
trayectoria de sea más favorable para la dinámica de los ejes. Haciendo
un símil con las competiciones de fórmula-1, los pilotos (control) ven el
trazado de la calzada (“look-ahead”) y llevan los monoplazas (máquina)
por trayectorias diferentes a las estrictamente medias y paralelas a los
límites de la calzada (“feed-forward”) para poder acelerar y desacelerar
con menos intensidad y así subir la velocidad media del recorrido.
Se muestra en la figura 5 el diagrama de bloques de un servosistema con
estos tipos de algoritmos.
Fig. 5.- Diagrama de los bloques del servosistema de Fanuc 16iM
3.6.5. Límites de error de la trayectoria
Al símil automovilístico existen límites para la nueva trayectoria (la
calzada). A los servosistemas más avanzados también existen estos
límites con la ventaja de que son ajustables a las necesidades de la
mecanización.
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Si en cierta mecanización se necesitan los avances de corte más altos
para reducir el tiempo, se pueden aumentar los límites perdiendo
precisión. Si en cambio nos interesa la precisión, se estrechan los límites
haciendo la máquina más lenta. Estos límites de trayectoria se controlan
normalmente mediante funciones auxiliares M para poder varias el
modo dependiendo de la operación a realizar en cada caso.
En la actualidad existen ya unos cuantos sistemas (Siemens 840D, Fanuc
16iM, etc...) que utilizan estos sistemas donde se pueden escoger límites
de entre ±0,002 mm por alta precisión y ±0,02 mm por alta velocidad.
La utilización de los algoritmos de “look-ahead” y “feed-forward” han
posibilitado el desarrollo de la tecnología de alta velocidad como la
entendemos actualmente. Siguiendo con nuestro ejemplo si con una
máquina herramienta con el sistema Fanuc-16iM se quiere describir un
círculo de 100 mm de diámetro a un avance F = 18.000 mm/min, error de
seguimiento habría de ser de:
Ecuación 8
Cuando la realidad con los sistemas de limitación del error de trayectoria
se llegan a producir este círculo a 18.000 mm/min de avance exacto con
errores máximos de 0,003 mm!! Ver figura 6.
Fig. 6.- Error de circularidad en 100 mm de diámetro a 18 m/min con el
control Fanuc 16iM
Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de
Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. INTRODUCCIÓN
Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad
ha llegado a ser una tecnología extendida en el sector industrial, las
empresas que desarrollan software han pretendido “no perderse el
carro” de la innovación, colocando el sello “Software para el mecanizado
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de Alta Velocidad” en sus productos.
Esta campaña de marketing ha supuesto el desconcierto entre los
usuarios, primero por conocer si su paquete de CAD/CAM está o estará a
la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en sus
empresas un software de alto nivel y les es difícil “despejar el camino”.
A continuación describimos las diferentes estrategias de corte que se
emplean habitualmente en las operaciones de mecanizado a alta
velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema de
CAD/CAM que quiera competir en el área del mecanizado de alta
velocidad.
2. OPERACIÓN DE DESBASTE
RasterEsta 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 OffsetConsiste 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 ZDebe 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. |
|
ArcosEl software debiera generar automáticamente radios o arcos para
evitar paradas bruscas ante un cambio de trayectoria. | |
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Cambios de Dirección. Es necesario tener un control total de la
trayectoria programada, el software nos debe permitir en todo momento
cambiar la dirección de mecanizado.Edición de las sendas de
mecanizado.En muchos de los casos es necesario modificar la senda de
mecanizado obtenida de forma automática para hacerla coincidir con
zonas concretas de la geometría, el paquete de CAD/CAM debe permitir
editar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...Minimizar los
movimientos de trabajo con el diámetro de la herramienta.El software
nos debiera proponer unas trayectorias de mecanizado evitando que la
herramienta mecanice con todo su diámetro. | Mecanizado de restosEl
paquete de CAD/CAM debe reconocer de forma automática zonas que no
ha mecanizado una herramienta anterior. |
3. OPERACIONES DE ACABADO
En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas
trayectorias por lo que el software debe ser muy flexible.
| |
ZIG-ZAG o RasterEstrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAM
incorpora, la senda de mecanizado se proyecta con un ángulo
programado. | Planos en ZLa senda de mecanizado contornea la
geometría con pasos verticales constantes. |
EspiralSe proyecta la forma de una espiral sobre la pieza | RadialEl
software proyecta radios sobre la geometría con una separación que se
introduce por el usuario |
OffsetEn 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 zonasEl
software debe dar la posibilidad de dividir la pieza por zonas y así,
mecanizar cada zona con la estrategia que más convenga |
LímitesEl paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crear límites sobre
las superficies con objeto de crear estrategias por zonas.BitangenciasEl
software debe incorporar la posibilidad de seleccionar zonas de unión de
superficies con radios de curvatura pequeños | |
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4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO
El software debe incorporar la posibilidad de simular las estrategias de
mecanizado. A pesar que existen software específicos para la simulación
de las trayectorias, somos de la opinión que esta opción debe estar
incorporada como una herramienta más dentro del propio programa de
CAD/CAM
Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser
aplicado hoy"
El mecanizado de alta velocidad sigue presentando áreas importantes de
investigación, con el fin de seguir incrementando la velocidad y precisión,
disminuyendo a su vez el coste de las máquinas. El instituto alemán
Institut für Produktionsmanagement, Technologie und
Werkzeugmaschinen (Instituto de Gestión de la Producción, Tecnología y
Máquina-Herramienta), perteneciente a la Universidad Tecnológica de
Darmstadt, está considerado como el centro de referencia europeo en
este ámbito. Recientemente se ha producido un cambio en la dirección.
Eberhard Abele, de amplia experiencia industrial (como ha sido el caso
de todos los directores desde hace más de 100 años) ha sustituido a
Herbert Schulz, que ha ocupado su cargo durante muchos años.
Eberhard Abele trabajó durante dos años en las instalaciones
barcelonesas de Robert Bosch España.
Ferran Puig Vilar
Usted recibió recientemente el cargo sucediendo a Herbert Schulz,
actualmente miembro emérito del Instituto y persona de reconocido
prestigio en mecanizado de alta velocidad. ¿Cómo encontró el instituto y
cuáles van a ser sus principales objetivos?
Como introducción podemos decir que este instituto tiene una larga
historia, con una trayectoria de más de 100 años. Todos sus directores
han procedido de la industria y tienen experiencia en la gestión y la
producción industrial; también éste es mi caso. He trabajado durante
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varios años en la industria en el desarrollo de nuevas tecnologías en las
áreas de producción, fui responsable durante muchos años de proyectos
en el campo de la automatización y he estado en varios países, en
España también en Francia. Creo que puedo aportar al instituto mi
experiencia internacional.
Por otra parte, uno de los aspectos más significativos del PTW es que el
60% de los proyectos proceden de la industria, mientras que el 40%
restante goza de una doble financiación industria-administración. Así
pues, todos los proyectos tienen un componente industrial.
En el campo de la máquina-herramienta hemos analizado los avances
realizados en los proyectos en marcha y evaluado los campos en que
creemos que podemos trabajar mejor. Puesto que no nos es posible
abarcarlos todos, nuestros principales objetivos se concretan en áreas
específicas que no han sido trabajadas en profundidad en otras partes.
No queremos abarcar muchas, sino trabajar en profundidad en las
elegidas.
Con respecto a la optimización de las máquinas para el mecanizado de
alta velocidad, la primera pregunta que nos planteamos es cuál es el tipo
de accionamiento a emplear y cómo combinarlo con la máquina con el
fin de obtener de él mejores aceleraciones. Nos preguntamos también
sobre cuáles deben ser las técnicas utilizadas en el portaherramientas
para lograr una alta velocidad de corte. Sabemos que actualmente el
portaherramientas y las herramientas son dos limitaciones importantes,
y por tanto serán estos componentes los que nos darán a conocer el
nivel de nuestros progresos. El siguiente punto es, por supuesto,
conseguir mejoras en la cadena de proceso CAD/CAM. Los sistemas CAM
hoy disponibles no están todavía listos para mecanizado de alta
velocidad.
¿Cuáles han sido los avances más importantes de los últimos años?
Si examinamos los progresos realizados en los últimos 10 años
encontramos que hay muchas empresas que han realizado notables
aportaciones en lo referente a la productividad de las máquinas,
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habiéndose multiplicado por un factor 3 desde sus inicios. No se
consigue cada año el mismo nivel de progreso, pero tenemos muchas
esperanzas en fuertes avances futuros relativos a herramientas con
nuevos recubrimientos, portaherramientas y sistemas de
accionamientos. Durante los próximos 5 a 10 años pensamos que es
posible reducir el mecanizado de piezas por un factor 2, especialmente
en aplicaciones para moldes y matrices.
El PTW organiza anualmente los Premios Europeos a la Alta Velocidad
(HAI-SPID). En esta iniciativa las organizaciones concursantes deben
conseguir mejoras en el mecanizado de un molde tipo. ¿Qué avances se
han logrado?
En la última convocatoria este premio recayó en una empresa austriaca.
Es muy interesante porque, cuando examinamos las soluciones
presentadas en las sucesivas ediciones, encontramos una gran diferencia
entre ellas, siendo así que la diferencia entre los primeros y los segundos
era casi de un 40 o 50% en tiempo de mecanizado. Esto nos muestra
claramente que, al optimizar las estrategias de mecanizado, las
herramientas, el portaherramientas y la propia máquina, existe un gran
potencial de progreso actuando sobre la disposición racional de los
distintos elementos.
¿Cuáles son las características del molde de trabajo?
Hemos trabajado con algunas empresas y organizaciones en la definición
de un molde que contiene elementos característicos de forma que
podamos medir la calidad obtenida: rugosidad, tiempo de acabado... El
molde contiene conos, cubos y otros elementos geométricos de distintos
tamaños.
El CAD/CAM para MAV permitirá el año que viene un fuerte impulso en la
productividad. Esto es así debido a los logros en estandarización
Usted mencionó antes el software, el portaherramientas, la máquina en
sí misma como líneas de su trabajo. ¿Cuáles son las tecnologías
emergentes que permitirán avances? ¿Cuál es la innovación concreta en
estas tecnologías?
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El futuro del CAD/CAM ya está listo para ser aplicado hoy. El año que
viene permitirá un fuerte impulso en la productividad. Esto es así debido
a los logros en estandarización de muchos de los programas de
mecanizado, de forma que ya han sido optimizados en sus algoritmos y
en su ejecución. Estos avances están ya operativos en algunas empresas
líderes para piezas geométricas, pero en los próximos años habrán
podido ser introducidos en los talleres de moldes y matrices.
Los portaherramientas deberían aumentar la velocidad de rotación en
aplicaciones de mecanizado de piezas pequeñas. En cuanto a las
herramientas hay que prestar especial atención a los recubrimientos y a
su equilibrio. A partir de 20.000 rpm la herramienta debe estar muy bien
equilibrada para evitar la destrucción de la herramienta.
Nuevos recubrimientos, accionamientos y portaherramientas
conducirán, durante los próximos 5 o 10 años, a reducciones en el
tiempo de mecanizado por un factor 2
¿Cuál es su opinión acerca de la tecnología de los motores de sujeción
magnética?
Existen cojinetes de aire que están siendo aplicados incluso en los
portaherramientas, y también los hay magnéticos. Sin embargo,
tecnologías como estas son bastante caras, por lo que estas soluciones
están reservadas a máquinas especiales. No estoy seguro que los
cojinetes magnéticos sean la solución correcta para el mercado de alta
velocidad en general. Por otra parte, si observamos todos los desarrollos
habidos desde los cojinetes clásicos (los cerámicos, por mencionar
algunos) podemos ver grandes avances logrados por varias empresas.
Existe un gran potencial de progreso actuando sobre la disposición
racional de los distintos elementos
¿Qué posibilidades nos ha dado el empleo de procesadores de alta
potencia? Hay controles numéricos que trabajan con procesadores de
128 bit, pero parece todavía existir un límite en la consecución de
estrategias que permitan reducir todavía más los tiempos y otras
características del mecanizado.
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En los últimos años hemos utilizado los procesadores más potentes
existentes para aumentar ciclos de cálculo CAD/CAM. Esto ha sido útil
hasta cierto punto, al proponernos un límite. Pero no lo ha sido tanto
para incrementar los ciclos de interpolación, pues nos encontramos ante
una función hiperbólica.
En el futuro podríamos considerar más potencia en los procesadores si
compensamos algunos déficit actuales. Por ejemplo, en mecanizado de
moldes sabemos que se suele utilizar una operación de desbaste y una
operación de acabado. Teóricamente, podemos ahora saber cuál es el
material residual de la operación de desbaste, lo que permite una mejor
planificación.
Este cálculo del material residual no era posible hasta ahora porque la
potencia disponible de cómputo no lo permitía. Un punto importante
podría ser que estos aspectos se podrían integrar bien en el sistema CAM
o bien en el CNC.
¿Y acerca de las estrategias de mecanizado?
Las estrategias de mecanizado no están siendo soportadas, en su gran
mayoría, por el sistema CAM. Los avances residen en que, si se está
frente a un elemento geométrico - por ejemplo un cono - éste debe ser
considerado como tal, y no planificar el corte como si estuviera basado
en líneas rectas.
Sabemos que las máquinas de alta velocidad requieren de una
estructura muy diferente a la clásica, pero vemos que la mayoría de los
fabricantes siguen usando las estructuras tradicionales y las máquinas
siguen siendo pesadas. ¿Cuál cree que es el motivo? ¿Cuándo cree que se
entenderá que son necesarios otros tipos de estructuras para estas
máquinas?
Hemos desarrollado un mejor comportamiento en la amortiguación en
las máquinas, para lo cual utilizamos nuevos materiales tales como el
concret. Otro desarrollo es la construcción de la máquina en forma
termo-simétrica. Es decir, de forma que los motores lineales de las
máquinas de alta velocidad no influyan negativamente en esta nueva
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estructura. Trabajamos también en la relación entre el alcance y el
volumen de trabajo. Considerando el coste de la máquina que no hay
muchas posibilidades de soluciones realmente nuevas aunque sean bien
conocidas, pues tienen que estar al alcance del consumidor.
La tecnología y el mercado de la electroerosión está siendo afectada por
el mecanizado de alta velocidad. ¿Cree que ésta puede seguir teniendo
un lugar en estas actividades o que finalmente desaparecerá, quedando
sólo para geometrías muy particulares? En este caso ¿cuándo podría
darse este fenómeno?
Es una pregunta muy interesante, que esta misma mañana estábamos
debatiendo. Las dos tecnologías han experimentado grandes avances
durante los últimos cinco años y estoy convencido de que, en el caso de
los moldes y las matrices, el mecanizado de alta velocidad no puede
sustituir totalmente a la electroerosión. Ambas tecnologías tienen puntos
fuertes y débiles, pero generalmente el mecanizado de alta velocidad ha
ganado un poco más de mercado sobre la electroerosión. Sin embargo,
todas estas empresas tendrán excelentes oportunidades de encontrar
soluciones en ambas tecnologías para lograr algo óptimo para sus
clientes.
¿ Cómo ve usted la transferencia de tecnología entre la universidad, los
centros tecnológicos y la industria? ¿Cómo funciona el modelo en
Alemania? ¿Piensa que es exportable?
Pienso que éste no es un modelo alemán, pienso que esto depende un
poco del instituto. En Alemania hay institutos que consideran preguntas
más criticas y hay otros institutos que consideran más las aplicaciones de
los resultados de estos nuevos proyectos en la industria.
MetalUnivers agradece especialmente a Javier Aranceta, Director Técnico
de Ideko, su colaboración en hacer posible esta entrevista
Problemática de las máquinas de arquitectura paralela
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de
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Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. INTRODUCCIÓN
Las mejoras en el campo de la máquina-herramienta van encaminadas a
obtener la máxima libertad de movimientos, con una elevada rigidez y
con una mínima masa a desplazar. Es decir, conseguir unas altas
características dinámicas de máquina. La mejora de dichos aspectos
debe llevar, como resultado final, a una mayor velocidad de mecanizado
y a una mejor precisión y acabado, conduciendo a un aumento de la
productividad, tanto por el menor tiempo de mecanizado como por la
disminución de procesos de acabado.
La configuración de máquina convencional esta basada en una
estructura en serie (figura 1). Dicha estructura presenta tantos ejes como
grados de libertad dispuestos en serie y normalmente de acuerdo con
unos ejes cartesianos X, Y, Z además de unos ejes de rotación, si es
necesario. Este tipo de disposición no requiere un gran esfuerzo de
control ya que cada eje de la máquina controla un grado de libertad
cartesiano.
Frente a esa facilidad en el control, las máquinas con una configuración
en serie presentan la desventaja de que cada eje deba soportar carga en
todas las direcciones, y deba soportar y mover los ejes que van
montados sobre él. Esta característica conduce a una alta masa a mover
y por lo tanto a unas bajas características dinámicas de máquina. Esto se
hace especialmente patente en grandes máquinas.
2. CINEMÁTICA PARALELA
Una solución a este problema es la utilización de cinemática paralela que
ha dado lugar a las máquinas-herramienta de arquitectura paralela. En
este tipo de máquina cada eje une directamente la base de la máquina
con una plataforma móvil sobre la que va montado el cabezal, de ahí se
puede decir que los ejes están dispuestos de forma paralela (figura 2).
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Fig. 1.- Máquina-herramienta con arquitectura en serie | Fig. 2.- Máquina-
herramienta con arquitectura paralela clásica |
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El alto coste, principalmente computacional, que requiere controlar las
longitudes de los distintos brazos de un mecanismo de estas
características hizo que su utilización no se extendiese - salvo en el caso
de aplicaciones donde dicho coste estuviese justificado, como es el caso
de los simuladores de vuelo.
Hoy en día dicho coste ha sufrido una espectacular reducción y están
apareciendo otras aplicaciones, especialmente en el mundo de la
máquina-herramienta. Las primeras de estas aplicaciones introdujeron el
concepto de “Hexápodo”, derivado del tipo de arquitectura paralela
utilizada; la base de la máquina se encuentra ligada al cabezal mediante
seis brazos, los cuales mediante la variación de su longitud consiguen la
orientación exigida en la herramienta (figura 2).
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3. VENTAJAS E INCONVENIENTES
Las principales ventajas de la arquitectura paralela son las siguientes:
* Estructura mas simple
* Menor inercia
* Menor coste
Y sus principales inconvenientes se resumen en los siguientes puntos:
* Volumen de trabajo muy irregular con relación al volumen prismático
deseables
* Gran tamaño global de la máquina, en comparación con el volumen de
trabajo.
* Complejidad de control. Constante interpolación de 5 ejes y complejas
rutinas de control no lineal
* Dificultad de puesta a punto
* Dificultad de compensación de errores
Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte)
En este artículo, correspondiente a un capitulo de la tesis doctoral del
autor sobre Mecanizado de Alta Velocidad, se explican las ventajas
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tecnológicas, y el grado de aplicación de la mecanizado de alta velocidad
en diferentes campos de la producción metalúrgica: producción de
componentes de medio y alto volumen y producción de moldes y
matrices. También se presenta uno de los modelos de centro de
mecanizado que se utiliza en cada uno de estos campos de aplicación.
Juan Martín - Técnico Comercial
Juan Martín, S.L.
En este capitulo, aunque queramos dar una imagen general de la
industria del mecanizado, se pone más énfasis en el mecanizado de
moldes y matrices por ser, con mucho, el sector de más consumo de
mecanizado de alta velocidad en nuestro país.
1. 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).
Evidentemente, estos números dependen de la dificultad del mecanizado
pero nos darán una idea de los requerimientos de automatización, de los
tipos de herramienta utilizada, de los tipos de fijaciones, etc...
La variabilidad de tamaños, materiales, volúmenes de producción,
precisiones, acabamientos superficiales, sobrantes de material, etc.. de
los componentes mecanizados en este campo es total. Se hace por tanto
imposible analizar todos los casos. Por este motivo basaremos el estudio
en piezas concretas representativas del sector.
2.1. Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras
En los últimos años el número de componentes de aluminio a mecanizar
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ha aumentado de forma considerable.
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.
Fig. 1.- 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.
Fig. 2.- 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.
Figura 3.- Bomba de rotación o “scroll”
2.2. 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.
La producción de un molde para estas piezas es fácilmente y se reduce el
tiempo de mecanizado, abaratando los costes de producción total.
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
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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.
En general, en todas las aplicaciones de aluminio, las herramientas se
utilizan con emulsión refrigerante para evitar temperaturas que hagan el
aluminio pastoso y se enganche en las herramientas destruyendo el
recubrimiento. En especial en las operaciones de agujerear la
herramientas necesitan refrigeración por el interior del cabezal. Cuanto
más largo y más grande sea el agujero más presión del refrigerante a
través de la herramienta. Las máquinas trabajan habitualmente con 20-
30 bar pero algunas ofrecen opciones para trabajar hasta 70 bar.
Las trayectorias de mecanizado para los componentes prefabricados son
muy sencillas y normalmente se programan directamente al CNC de la
máquina. También en la máquina se optimizan profundidades y anchos
de pasada, avances y revoluciones para obtener los mejores tiempos con
costes de herramientas razonables.
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. Incorporan por tanto algoritmos “ look-ahead” y “ feed-
forward” pero no se necesitan grandes almacenes de memoria ni
comunicaciones Ethernet.
Los accionamientos en cambio han de tener una muy buena respuesta:
las aceleraciones y velocidades de posicionamiento han de extremarse.
De echo esta es la aplicación ideal para los innovadores motores lineales.
Los husillos a bolas y acoplamientos deben estar preparados para un
trabajo continuo a máximas velocidades y aceleraciones, por lo tanto,
muy a menudo se refrigeran. Todo y esto se pueden dilatar en ciclos de
trabajo muy cortos y en cambio las tolerancias de las piezas (> 0,02 mm)
no requieren nada que no se pueda resolver con reglas lineales, aunque
los husillos presenten a menudo el extremo nada más soportado.
El cabezal no necesita mucha potencia pero si grandes velocidades y
aceleraciones. Los cambios de herramientas son constantes y en el
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tiempo viruta-viruta la aceleración/ desaceleración del cabezal juega un
papel muy importante. Los materiales (aluminios y magnesios) requieren
velocidades de corte muy grandes y por lo tanto se han de escoger
cabezales con velocidades superiores a 24.000 rpm. 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. El área de trabajo ha de
estar bien preparada para no acumular virutas que a lo largo del tiempo
puede ser fatal para algún sistema de la máquina. Los sistemas de
autolimpieza con emulsión son absolutamente necesarios.
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.
2.3. 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
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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
2. CENTRO DE MECNIZADO PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA
BASICA
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
(figura 3).
Sus características fundamentales quedan reflejadas en la tabla 1.
También se muestra una imagen general de la máquina en la figura 4.
Fig. 4.- Centro de mecanizado Makino A55e
Fig. 5.- Estructura del centro de mecanizado en estudio
3.4. 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
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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 (figura 5).
* Las guías son de rodadura y están permanentemente lubricadas. Con
avances de 85 m/min no hay otra posibilidad (figura 6).
Fig. 6.- Guías de rodadura
3.5. 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
(figura 6)
* 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.
Fig. 7.- Gráficos de potencia y par del cabezal de 14.000 rpm.
3.6. Cabezal
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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.
Fig. 8.- 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).
Fig. 9.-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 (figura 8).
Fig. 10.- Mecanismo de auto-limpieza de los conos
posicionadores del palet.
3.7. 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
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esfuerzos (figura 9).
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 (figura 10).
Fig. 11.- Cambiador de palets es de sistema rotativo
El palet lleva incorporado el eje B de la máquina (figura 5). 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.
Fig. 12.- Recogedor de viruta
3.8. 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 (figura 11).
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 (figura
12).
Fig. 13.- 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
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la máquina incorpora sistemas de limpieza de la zona de trabajo desde el
techo para limpiar las protecciones (figura 13) y desde la mesa para
limpiar los útiles de fijación de la pieza mecanizada.
3.9. 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.
5) METALUNIVERS Marzo 2002
Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (2ª parte)
Juan Martín - Técnico Comercial - Juan Martín, S.L.
1. MECANIZADO DE MOLDES Y MATRICES
Los moldes y las matrices son, sin duda, la aplicación más amplia de la
nueva filosofía del mecanizado de alta velocidad. En este sector la
introducción de esta nueva tecnología significa más que comprar una
nueva máquina herramienta.
En general se necesita sobredimensionar las oficinas técnicas porque
como ya se ha explicado en el capitulo 6, el tiempo necesario para el CAM
es claramente superior al necesario para estrategias de corte más
convencionales.
En cambio la sección de electroerosión se verá reducida con toda
seguridad, porque como también se ha dicho, ahora se puede mecanizar
para arrancar de viruta materiales que antes eran impensables gracias a
los nuevos recubrimientos de las herramientas, y también se pueden
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reproducir formas más complejas y con radios más pequeños gracias a la
estabilidad de los nuevos cabezales y la precisión y dinámica del sistema
de accionamiento.
Por este mismo motivo se minimizan los tiempos siempre inciertos de
pulido manual y se pueden casi eliminar los procesos de ajuste final
(gracias a la precisión de la máquina y a la no- imprecisión de la mano
humana).
Todo junto permite reducir los plazos de entrega y mejorar la calidad,
que es el verdadero objetivo del mecanizado de alta velocidad en este
sector.
España, y en particular Cataluña. Es una de las regiones europeas con
una densidad más alta de moldesy matrices y esta industria es sin duda
el primer campo de aplicación del mecanizado por arranque de viruta.
Cada uno de los sectores de los muelle y matrices se enfrenta, pero, a
problemas diversos y El mecanizado de alta velocidad puede responder
también de diversas formas a estas necesidades. A continuación se hace
un estudio particularizado con alguno de estos sectores.
2.1. Moldes de inyección de plásticos
Este es el sector más amplio de los moldes. Componente de todo tipo de
plásticos son múltiples y están presentes en todos los niveles de nuestras
vidas. Si en cualquier ambiente nos fijamos en la cantidad de objetos
hechos con plásticos, y se piensa que cada uno de esos objetos puede
intervenir uno o diversos moldes de inyección de plásticos, se puede
tener una idea de la potencia del sector.
En Cataluña se fabrican moldes de inyección de plásticos para muy
diversas actividades pero podríamos destacar al sector automovilístico,
en el que gran parte de la producción se exporta a las grandes áreas
europeas de fabricación de automóviles / entre ellas España).
Las características del molde de inyección de plásticos son tan diversas
como los mismos componentes, cosa que hace difícil argumentar
soluciones globales para todas las empresas del sector. Las precisiones,
los acabados superficiales, etc.. son muy diferentes entre un molde
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destinado a la fabricación de conectores telefónicos o equipamiento
médico y otro destinado a parachoques de coche.
Ahora bien, el sector siente la presión constante de unos plazos de
entrega cada vez más cortos y exigencias de calidad que hace 5 años
eran impensables.
La globalización, además, está abriendo todos los mercados del mundo, y
por lo tanto la competencia de las industrias del molde se sitúan a
menudo en países menos desarrollados donde los coste fijos y laborales
son más bajos. Las industrias transformadoras todavía se sitúan cerca,
por ejemplo, de los fabricantes de automóviles porque el sobrecoste del
transporte es demasiado caro por pieza. Pero para un molde que inyecta
millones de piezas, y con los medios actuales que aseguran la calidad, las
distancias no son ningún impedimento y los factores de elección de
proveedores ya no son geográficos sino de, y en este orden, plazos de
entrega, calidad y precios.
Nada más que con innovación tecnológica se puede, por tanto, mantener
las cuotas del mercado para esta industria en nuestro país. El
mecanizado de alta velocidad, es uno de los medios para resolver estos
conflictos, con las siguientes estrategias:
* Especialización de la industria. A la tecnología de mecanizado de alta
velocidad las dimensiones, precisiones y características de los materiales
son muy importantes, y dominar esta tecnología para cualquier tipo de
molde se hace, casi siempre inviable. Se requiere, por tanto,
especialización en un tipo y dimensión de molde que obliga a menudo a
sobrepasar fronteras si se quiere aumentar la producción (globalización).
Esta realización implica también la subcontratación de faenas auxiliares,
que a la vez serán especializaciones de otras empresas del sector (por
ejemplo, la fabricación de porta-moldes y otros normalizados).
* Adopción de métodos de fabricación automáticos sin presencia de
operadores. Los costos laborales serán siempre más bajos en otras
partes del mundo y se ha de intentar reducirlos. Las máquinas de alta
velocidad son más caras pero, en general, mucho más pensadas para la
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operación automática. A demás las estrategias de mecanizado de alta
velocidad intentan ya hacer constantes las condiciones de corte, evitando
así rotura de herramientas.
* Redefinición de las etapas de la fabricación simplificándolas y haciendo
más fácil su planificación y control. La reducción de los procesos de
electroerosión, siempre que sean posibles, son fundamentales para el
ahorro de tiempo en el mismo tiempo de electroerosión y en el de
fabricación de electrodos de cobre o grafito, que no aportan beneficio al
molde. Los únicos elementos que todavía continuaran siendo propiedad
de la electroerosión son las esquinas con radios muy parecidos a 0 y las
ranuras muy profundas (pensemos que con mecanizado de alta
velocidad se llegan a hacer ranuras con esbeltez profundidad / anchura =
15.
* También en muchos casos, reducción de los tiempos de fabricación por
la posibilidad de mecanizar directamente los bloques de acero templado
desde el desbaste hasta el acabado y ahorrarse así los tratamientos
térmicos intermedios. Estos procesos están siempre sujetos a
condicionamientos económicos, pero si se consideran todos los factores
involucrados es a menudo muy ventajoso.
* La rapidez de los procesos de alta velocidad permiten hacer pasadas de
mecanizado mucho más pequeñas mejorando en 4 o 5 veces los
acabados superficiales con un tiempo de mecanizado parecido o
ligeramente mayor, Así permite reducir los procesos manuales de pulido,
ahorrando mano de obra muy cara. El mecanizado de alta velocidad
puede llegar a producir acabamientos superficiales de Ra = 0,1 mm y
mejores, superando los limites de las erosiones en tiempos
considerablemente mejores y sin necesidad de producción de
electrodos.
* La precisión estática y dinámica de las nuevas máquinas de alta
velocidad, y la presencia mínima de operaciones manuales permiten
muchas veces eliminar los procesos de ajuste de moldes, que a menudo
duran semanas y suponen costes altísimos en dinero y tiempo.
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Pero estos avances no se quedan aquí. La presencia cada vez más
importante de los moldistas en la fase de diseño de los componentes
automovilísticos, puede permitir la adopción de nuevas formas de
producto que hagan más fácil la aplicación del mecanizado de alta
velocidad y reduzcan por lo tanto costes globales al sector.
A continuación se presentan algunos ejemplos de mecanizados
utilizando la tecnología de alta velocidad (figuras 14, 15, 16).
Fig. 14.- Macho de un molde de inyección de plástico para
tapacubos. Pieza de Ø470 en acero pretratado a 46 HRc.
Tiempo total de mecanizado desde el desbaste al acabado: 17 h.
Fig. 15.- Molde entero (macho y hembra) de la carcasa
exterior de un teléfono de mesa. Hasta las ranuras del macho
están mecanizadas en el centro de mecanizado.
Todas las superficies están acabadas de máquina, sin pulir.
Material DIN 1.2344 a 54 HRc.
Tiempo total de mecanizado 28 horas para la hembra y 52 para el
macho.
Fig. 16.- Hembra de un molde minúsculo para la
fabricación de una tapa de baterías.
Acero templado a 54 HRc. La herramienta más grande utilizada es de
Ø0,5 mm y la más pequeña Ø0,2 mm.
Tiempo de mecanizado 1,5 horas.
2.2. Moldes de inyección de aluminio
Las exigencias del producto en este sector son muy parecidas al de los
moldes de inyección de plásticos y también, por lo tanto los beneficios de
del mecanizado de alta velocidad.
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Pero se han de destacar algunas características propias:
* Los componentes de aluminio se utiliza a menudo en aplicaciones
donde se necesita una refrigeración eficiente e incluyen por lo tanto
aletas de refrigeración. Estas, en los moldes, Suponen ranuras muy
esbeltas que tradicionalmente han supuesto grandes producciones de
electrodos de grafito y dedicación en tiempo a los procesos de
electroerosión. Este elemento ha de ser por tanto uno de los objetivos
del mecanizado de alta velocidad en esta industria (figura 17).
* Los acabados superficiales no son tan críticos como en el caso de los
molde de inyección de plásticos al ser, en general, los componentes de
aluminio piezas funcionales no vistas. A demás la misma inyección de
aluminio no consigue cualidades superficiales a las piezas muy buenas. Si
se necesitan componentes vistos de aluminio a menudo se acaban en
procesos de pulido automático.
Fig. 17.- Cárter del motor una motocicleta. Las ranuras
que conforman las aletas de refrigeración son muy profundas.
Material DIN 1.2344, 54 HRc. Tiempo: 9,5 horas
2.3. Moldes de soplado
Los moldes de soplado son un caso diferente dentro de los moldes de
componentes plásticos. Estos moldes se utilizan para la fabricación de
botellas de plástico. El sector más alto de consumo es el de las bebidas
refrescantes y sobre todo el agua mineral.
El funcionamiento del molde no es de inyección. Se utiliza una preforma
de plástico inyectado (este componente sí que es inyectado y requiere
precisiones muy elevadas), que incluye la rosca recipiente alargado con
un grosor de paredes determinado. Esta preforma se sitúa dentro del
molde y se sopla aire caliente por el interior de la preforma que calienta
el plástico y lo hace expandirse contra las paredes del molde. Esto da al
molde características particulares:
* El molde se fabrica en aluminio porque al no existir mucho rozamiento
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del plástico se pueden conseguir producciones bastante elevadas. Las
máquinas dedicadas a estos moldes han de tener características
adecuadas para estos materiales. El mecanizado del molde supone un
tiempo muy limitado.
* Los acabados superficiales son muy exigentes. Nada más hay que
comprobar las superficies de las botellas de plástico. El mecanizado de
alta velocidad puede ahorrar tiempo de pulido que es porcentualmente,
muy elevado en estos tipos de moldes. En este sector se comenzó, hace
años, a utilizar interpolaciones NURBS para rebajar tiempos y mejorar la
calidad superficial.
* La producción de un determinado componente (por ejemplo la botella
de 1,5l de Font Vella) es muy intensa (algunos cientos de miles o millones
cada día) y por lo tanto se han de fabricar muchos moldes iguales. Esto
permite reducir los costes de programación por molde, y optimizar las
trayectorias para intentar mejorar tiempos y acabados superficiales. Muy
a menudo se pueden utilizar máquinas de mecanizado horizontales más
comunes en los campos de producción de pieza final, aprovechándola
mejor evacuación de las virutas que presentan estas configuraciones, y
los elementos auxiliares para reducir el tiempo de no corte como
cambiadores automáticos de palets. En un palet se puede montar un
cubo y en cada uno de sus costados un molde mejorando la autonomía
de la máquina y haciendo el proceso más económico.
* Tradicionalmente estos moldes no se han utilizado nunca en
electroerosión, y por lo tanto, no se da esta substitución de tecnologías.
En la figura 18 se presenta uno de estos moldes.
Fig. 18.- Molde de soplado en material de aluminio.
Tiempo de mecanizado 56min. Rugosidad superficial: 0,6 µm.
2.4. Matrices de forja en caliente y frío
Este sector también requiere piezas repetitivas, reduciendo por tanto el
coste de CAM por pieza fabricada.
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Los materiales utilizados en la forja en caliente son aceros templados
(generalmente DIN 1.2344 de 44 a 54 HRc). En el capitulo 10 se ha hecho
el estudio económico de viabilidad de una empresa fabricante de este
tipo de matrices. En el estudio de viabilidad se explican otras
características del sector.
En la figura 19 se muestra una de las matrices más estudiadas de la forja
en caliente.
Fig. 19.- Matriz de forja caliente para la producción de
bielas para el sector del automóvil. El material es soldadura de
muy baja maquinabilidad. Tiempo total: 2 horas
La forja en frío utiliza materiales todavía más duros y difíciles de
mecanizar (como por ejemplo un material de la empresa Uddeholm, ASP-
23, que después del tratamiento térmico llega a 62 HRc).
Este sector se debate todavía entre la conveniencia o no de adoptar
máquinas de alta velocidad, o continuar con las máquinas de
electroerosión. Como se ha explicado ya en el capitulo 5, dedicado a la
herramientas, el rendimiento de estas baja mucho en durezas de 62 HRc
y por lo tanto los costos pueden se inviables.
Así y todo el futuro es claro, nada más que un pequeño paso de las
herramientas puede desbancar las electroerosiones totalmente. Ya, que
de todas las maneras, hay empresas que utilizan El mecanizado de alta
velocidad para producir sus matrices de forja en frío.
En la figura 20 se muestra el punzón de una matriz de forja fría para la
fabricación de colzas homocinéticas para la dirección de los automóviles.
Fig. 20.- Punzón para la fabricación de colzas homocinéticas.
Material: ASP-23. Dureza: 62 HRc. Tiempo: 3 horas
2.5. Matrices de extrusión de aluminio
Las matrices de extrusión de aluminio se utilizan en prensas de extrusión
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que conforman el aluminio en perfiles. Estos se utilizan básicamente en
la construcción (puertas, ventanas, etc..).
Este sector también requiere grandes producciones de matrices pero en
este caso no repetitivas. De todas maneras las matrices de extrusión
tienen elementos morfológicamente muy semejantes y el elemento más
cambiante es el perfil de calibración que se hace únicamente con
electroerosión de hilo.
Los materiales utilizados son también DIN 1.2344 con tratamientos
técnicos para inducirlos a 52-54 HRc (figura 21).
Fig. 21.- Pieza puente de una matriz de extrusión de aluminio.
Material Din 1.2344 a 54 HRc. Tiempo total de mecanizado: 2,5 horas.
Las ventajas de producción y mecanizado de alta velocidad son claras
para este sector.
El problema más importante de estas matrices es el plazo de entrega.
Estos se están intentando reducir por debajo de ¡ una semana ¡.
Tradicionalmente el desbaste se produce con el material todavía blando,
se templa, y después se acaba en el centro de mecanizado o
electroerosión. Así muchas de estas empresas productoras incorporan el
tratamiento térmico en sus instalaciones para reducir tiempo.
Aún y esto el tiempo para endurecer una de estas matrices no es nunca
menor de 24 horas, que supone el 20% del tiempo total de producción de
la matriz.
El mecanizado de alta velocidad está comenzando a revolucionar este
sector. Las empresas líderes han adoptado ya esta nueva tecnología
simplificando el proceso de mecanizado integrado al centro de
mecanizado desde el bloque ya templado, ahorrando cambios de
máquina, operadores, tiempo y costes.
En muy poco tiempo la substitución de electroerosión de penetración
será casi del 100% en este sector.
El proceso total entonces se simplifica en mecanizado al centro de
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mecanizado de alta velocidad y electroerosión de hilo para formar el
calibración del perfil.
2. CENTRO DE MECANIZADO PARA MOLDES Y MATRICES DE PRECISIÓN
Para esta aplicación hemos escogido el centro de mecanizado Makino
V33 de fabricación japonesa. A continuación se presenta la imagen y
características fundamentales de la máquina (figura 22 y tabla 23,
respectivamente).
Se trata de un centro de mecanizado de alta velocidad diseñado para
fabricar piezas de ultra precisión con unos acabados superficiales
excelentes. Es por lo tanto adecuado para moldistas de inyección de
plásticos de piezas pequeñas (moldes multicavidad).
Veremos a continuación las soluciones técnicas que se han desarrollado
para este modelo y cómo se han conseguido estas características.
Fig. 22.- Aspecto del centro de Makino modelo V23
Fig. 23.- Estructura de la máquina Makino V23
Fig. 24.- Esquema de la estructura de la máquina Makino V23
3.6. Estructura
La estructura de la máquina se ha diseñado para mejorar la precisión
estática y dinámica de los centros convencionales. Se utilizan guías
hidrodinámicas muy amplias para aumentar el amortiguamiento de las
vibraciones y mejorar así los acabados superficiales (figuras 23 y 24).
Se aumentan las rigideces de los carros de los ejes X y Z con distancias
entre guías muy amplias y alargando las guías del eje Z evitando
voladizos, Así se mantiene la rigidez del sistema en cualquier posición de
los ejes.
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Los husillos de bolas son también extra- rígidos. El diámetro de 45 mm y
el paso de 8 mm le conforman una respuesta muy elevada a las
necesidades de aceleración para la realización de trayectorias complejas
de 3D.
3.7. CNC y sistemas de accionamiento
Los sistemas de medida de los accionamientos incorporan encoders y
reglas.
Los encoders realizan el cierre del lazo de velocidad. Estos tienen
resolución de 1 millón de pulsos por vuelta.
El CNC de esta máquina utiliza la tecnología básica del FANUC 16iM pero
el control de los ejes está programado por el fabricante de la máquina
adaptándolo así a los algoritmos las ecuaciones de respuesta de la
mecánica de la máquina.
La cadena cinemática de los ejes, los nuevos sistemas de medida de alta
resolución y los algoritmos de control numérico adaptado a la mecánica
de los ejes nos permiten obtener precisiones y acabados superficiales
excepcionales.
La precisión se comprueba mecanizando un circulo de Ø40 mm en
aluminio a 8000 mm/min de avance. Los resultados se presentan en la
figura 26.
Fig. 26.- La prueba es mostrar un error de circularidad
máxima de 1.3 µm, en un avance de 8.000 mm/min.
Con este nuevo sistema de lectura de la posición se pueden controlar las
0,1 µm.
Esto mejora mucho el acabado superficial de las piezas.
En las figuras 27 y 28 se muestran, al microscopio, las diferencias entre
un acabado con el lazo de posición estándar de 1 µm y otro con el lazo
de posición de 0,1 µm. En la 27 se muestra el acabado con feedback de
0,001 mm y en la 28 el de feedback de 0,0001 mm.
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Fig. 27.- Acabado con feedback de 0,001 mm
Fig. 28.- Acabado con feedback de 0,0001 mm
3.8. Cabezal
El cabezal de la máquina es uno de los elementos más especiales en esta
máquina.
Para conseguir hacer piezas de ultra precisión se necesita que también el
cabezal mantenga precisiones por debajo de 0.002 mm. El control
térmico de este ha de ser, por tanto muy apurado. Su sistema de
refrigeración se muestra en la figura 29.
Se trata de un cabezal integrado con un motor de doble bobinado para
conseguir parejas respetables a bajas revoluciones. Las revoluciones
máximas son 20.000 rpm.
Fig. 29.- Sistema de refrigeración del cabezal
Como se ha explicado en el capitulo 8, la dicotomía entre potencia y
velocidad de cabezal se produce fundamentalmente por la imposibilidad
con sistemas normales de refrigeración, de montar rodamientos rígidos
(tamaño grande) en un cabezal de altas revoluciones y con una vida
estimada muy aceptable.
El cabezal de este centro de mecanizado presenta dos características que
permiten sobrepasar los valores establecidos en el capitulo 8.
* Refrigeración directa del rotor. El cabezal (como se ve en la figura 28) se
refrigera primero dentro del rotor, después enfría el exterior de los
rodamientos frontales y por último los devaneos del estator del motor.
Esta refrigeración es muy eficiente porque evacua el calor directamente
del lugar donde se concentra el mayor número de focos: el estator. A
demás esta refrigeración se controla para actuar con más intensidad
cuando aumenta la velocidad del cabezal, Así, a más velocidad, el rotor
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del cabezal es más frío que la parte fija y por lo tanto se aligera la
precarga de los rodamientos. Esto nos permite precargar los
rodamientos a bajas revoluciones, obteniendo así un cabezal capaz de
una rigidez axial y radial muy alta en las revoluciones donde se hacen los
desbastes. Y en cambio a otras revoluciones cuando los esfuerzos de
corte son mínimos liberar las precargas.
* Lubricación directa de la jaula interna de los rodamientos. El mismo
aceite que se utiliza para la refrigeración del interior del rotor, lubrica
directamente la jaula interior de los rodamientos frontales, mediante
unos agujeros que se practican antes del montaje. Esta lubricación nos
permite cifras DN 5 veces superior a los obtenidos con refrigeración aire-
aceite. Tenemos por tanto más juego con el tamaño del rodamiento (en
la máquina se montan rodamientos de Ø interior = 65 mm), y la vida
efectiva de los mismos se alarga (20.000 horas mínimo).
Este cabezal supera en todos los aspectos a los cabezales de máquinas
similares. Los acabados superficiales que se obtienen con la máquina son
también muy superiores (hasta Ra = 0.03 mm, o sea el espejo).
La figura 30 muestra los gráficos de potencia y par respecto a la
velocidad del cabezal.
Fig. 30.- Gráficos de potencia y par respecto a la velocidad del cabezal.
3.9. Sistemas auxiliares
Esta máquina esta especialmente diseñada para El mecanizado de piezas
de ultra precisión y acabados superficiales excelentes para moldes.
Estas piezas son normalmente pequeñas y por tanto la cantidad de
material a mecanizar es insignificante. Por eso la máquina no incorpora,
al menos de serie, ningún extractor de virutas.
Estas se pueden extraer con la mano mientras la máquina esta en
funcionamiento con el inteligente sistema descrito en la figura 31.
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Fig. 31.- Extracción de virutas mediante un cajón que se puede vaciar
mientras la máquina se encuentra en funcionamiento.
3.10. Control térmico y evacuación del calor
Para obtener precisiones inferiores a los 0,002 mm son necesarios
controes térmicos estrictos que impidan la aportación de calor a la
estructura.
Los motores de los ejes tienen ventilación forzada para extraer el calor
generado en sus devanados y rodamientos.
Las uniones motor-estructura y el cabezal de la máquina se refrigeran y
mantienen a +-0,5oC de la temperatura de la estructura. Esta
temperatura es controlada por sensores térmicos que hacen de input al
sistema de realimentación del refrigerador.
La emulsión refrigerante también refrigera a +-0,5oC de la temperatura
de la estructura.
Las fuentes de calor, tales como el armario eléctrico, se mantienen
siempre con una barrera térmica para no aportar calor a la estructura
(figura 32).
Fig. 32.- Barrera térmica entre armario eléctrico y estructura
5) METALUNIVERS Marzo 2002
Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección
Rentabilizar el proceso de mecanizado es un elemento que afecta al
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coste final del producto. El rendimiento de la herramienta juega un
importante papel. Por ello, la acertada elección de la herramienta
adquiere un papel preponderante. A tal fin, Pascual Cubeles
(www.pascualcubeles.com) ha incorporado a su amplia oferta la extensa
gama de productos de la prestigiosa firma Pokolm, que cuenta con una
sólida experiencia en el campo de la mecanización por arranque de
viruta y que por su gama de producto, puede ofrecer la solución más
adecuada para cada caso, tanto para el proceso como para el material.
Veamos en este artículo el ejemplo del moldista Madelmold.
Redacción MU
Madelmold (www.madelmold.net) es una empresa ubicada en Alcalá de
Henares (Madrid) cuya actividad está orientada a la construcción de
moldes de alta precisión para sectores en los que se exige valores de
calidad en piezas finales de márgenes dimensionales muy estrechos.
Recientemente tuvo que realizar un pedido de cliente que le exigió tomar
la decisión de elegir muy cuidadosamente los elementos más adecuados
para poder satisfacer las exigencias del proyecto y a la vez poder
ofertarlo con un precio muy competitivo.
El proyecto desarrollado fue el molde del contenedor de un 'airbag' de
coche con material de inyección polipropileno con elastómero. Para ello,
en primer lugar, Madelmold dispone de un parque de máquina-
herramienta de última tecnología (entre las que se encuentra el centro
de mecanizado para alta velocidad Huron XL 15). Además, cuenta con
métodos de diseño (como el software Catia V5R18) y experiencia técnica
que ofrecen la confianza que el cliente exige. Antes de iniciar el trabajo,
Madelmold realizó las pruebas necesarias, con la colaboración de los
expertos de las marcas que experimentó sobre la misma calidad de
material que imponía el proyecto.
Finalmente, los resultados obtenidos la inclinaron a la utilización de útiles
Quadworx, de Pascual Cubeles. El proyecto de un molde de inyección
esta constituido por dos componentes: el portamoldes y la figura.
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1. Estructura del molde
Un portamoldes normalizado Hasco contiene las dos partes del
contenedor. Cada una, a su vez, cuenta con una placa de acero 1.2738 en
la que se ha mecanizado una cajera en la que se inserta el postizo o
figura correspondiente (geometría exterior o interior del contenedor) En
estas placas de 1.2738 se han mecanizado una cajera de 750x320x80 mm
en la que se empleó -para los ciclos de desbaste- de un plato Quadworx
de Ø 52 provisto de las correspondientes portaherramientas y plaquitas.
En el cuadro adjunto se detallan los diferentes parámetros empleados
para mecanizar. El tiempo total empleado en esta operación fue de 3
horas utilizando tan solo un filo (de los cuatro posibles) de la
herramienta. Este tiempo incluye los tiempos muertos de
posicionamiento y trabajo en vacío propios del CAD-CAM a la hora de
programar. Las dimensiones del molde exigieron reposicionamientos en
la mesa de la máquina.
En anterior proyecto de semejantes características de portamolde y con
otro proveedor, el tiempo fue el doble y se precisaron dos filos. Los
postizos se mecanizaron en acero 1.2083; y gran parte de los desbastes
se realizaron con plato (Ø 25), herramientas y plaquitas Quadworx.
2. Aceros empleados en el molde
Los tipos de acero utilizados para el molde han sido el 1.2783 y 1.2038. El
primero para la placa que contiene el inserto y el segundo para realizar el
mismo. Sus características más destacadas son:
1.2083 es un acero inoxidable con un alto contenido en Cr. (del orden del
13 por ciento) los hacen especialmente aptos, por su resistencia a la
corrosión, a la inyección de compuestos tipo PVC, para ambientes
especialmente húmedos, empleados con compuestos abrasivos o
también en series excepcionalmente largas. La gran calidad de pulido
que permite el 1.2083, lo hace también especialmente adecuado para la
inyección de piezas para óptica (lentes de cámara, cristales de gafas) así
como artículos médicos. Se suministra a 800 N/mm2.
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Acepta aplicar, entre otros, recubrimiento PVD de nitruro de titanio
1.2738 Es un acero que se suministra bonificado a una dureza 980 -1.100
N/mm2. y por contar con aportación del Ni (1%) con un excelente
comportamiento a los tratamientos térmicos (penetración de dureza
hasta el núcleo). Cuenta con una excelente maquinabilidad y sus
excelentes características mecánicas (además del citado comportamiento
térmico) lo convierten en un acero especialmente adecuado para moldes
de gran tamaño (gruesos a partir de 400 mm).
3. Quadworx: herramientas utilizadas
En este caso, las herramientas utilizadas para la preparación del
portamoldes corresponden a una línea de producto con características
técnicas y diseño especialmente desarrollada para el mecanizado de gran
avance. Por eso se han cuidado en detalle las características extremas
que tiene que soportar el plato/asiento y la plaquita, para poder
multiplicar por cuatro el rendimiento de la herramienta manteniendo la
geometría de corte dentro de sus valores originales y con un
recubrimiento de última generación que permite un corte fino y de
elevada calidad de acabado. Para garantizar mayor duración, precisión y
robustez del proceso de mecanizado el plato tiene la patente de la
plaquita encajada dentro del asiento/cuerpo de Pokolm.
Hay 4 tipos de plaquitas con diferentes materiales de base y con su
recubrimiento especializado para el campo de empleo recomendado.
Quadworx representa un innovador sistema de útil de corte, en el se
concentran ventajas tanto en la plaquita como en la herramienta. La
plaquita -sección cónica- se distingue por la geometría de la cara de
corte, de perfil topológio tanto en lados, valores radiales y arista con
radio. Como segunda ventaja - no menos principal- se encuentra el
hecho de poderse utilizar 4 veces (cambiando la posición del lado) y
permitir mayores valores de profundidad de corte (ap).
Proporciona excelentes condiciones de corte en todos los materiales
(aceros, fundición, inoxidables, templados) especialmente en avance de
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diente (fz) y pasadas axiales (ap). Este especial diseño de la plaquita
permite un excelente rendimiento (expresado en reducción de tiempos y
calidad de acabado superficial en la entrada axial (propio del taladrado),
en rampa y helicoidalmente (propio de ciclos de interpolación). Los platos
de fresado cuentan con un nuevo diseño. Con ello se obtiene una
excelente superficie de contacto en la plaquita, de forma tal, que las
tensiones que se generan por el esfuerzo de corte, son perfectamente
absorbidos por ese soporte. Asimismo se ha concedido una especial
atención al tornillo de fijación de la plaquita con la herramienta, máximo
cuando uno de los beneficios que ofrece el sistema Quadworx - tal como
se ha apuntado- es el de poder utilizar las cuatro caras de aquella, lo que
permite multiplicar por cuatro su vida útil y por lo tanto obtener un
beneficio extra con su utilización.
4. La máquina: Huron KX10
Madelmold ha utilizado un centro de mecanizado de alta velocidad
Huron KX10. La empresa satisfecha con el rendimiento de este centro,
dispone en la actualidad de dos unidades del mismo modelo
suministrados por Máquina Center.
Huron KH10 es un centro especialmente preparado para el mecanizado a
alta velocidad. Ello representa que en primer lugar la arquitectura de la
máquina es de tipo pórtico realizada en fundición lo que se traduce en
un excelente comportamiento y elevada capacidad de absorción de las
tensiones dinámicas generadas por la cinética de los desplazamientos en
sus tres ejes y la temperatura producto del arranque de viruta.
Dispone de unos ejes con unos recorridos X/ Y/Z de 1.000/700/550 que
permiten mecanizar una amplia gama de geometrías de pieza (hasta un
peso máximo de 1.500 Kgs en una superficie útil de mesa de 1.200x750
mm.). Equipa - estándar- un husillo (cono HSK63-A) que puede girar hasta
18.000 rpm. Aunque, no obstante, se puede suministrar con husillos a
velocidad 24.000 (HSK 63-A) ó 42.000 rpm (HSK 40-E).
El apriete de la herramienta es totalmente mecánico para asegurar su
perfecta sujeción, con un sistema -de accionamiento hidráulico- para
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aflojarla. Gran precisión en los avances. Cuenta con un control que actúa
sobre motor de variación continua de corriente alterna. Con valores de
desplazamiento rápido de 30.000 (ejes X/Y) y 18.000 mm/min (Z); y en
régimen de trabajo - programable-se sitúan en la franja de 1-10.000
(X/Y/Z). Aceleración máxima (en los tres ejes) de 3 m/s2. Huron KX10
proporciona una elevada precisión en el mecanizado. El valor de su
repetitividad es de 5 y error de posicionamiento de 7 um. en los tres ejes.
Otra cualidad del centro Huron KX10 es la velocidad de cambio de
herramienta-herramienta, de 6/12 segundos, con viruta de 15/20
segundos. El equipo estándar dispone de un almacén para herramientas
con 20 posiciones; aunque opcionalmente se puede suministrar para 30.
Asimismo va provisto de un eficiente sistema de extracción de virutas
que incorpora una cinta transportadora.
Tres talleres testimonian las ventajas del mecanizado del acero templado
por corte a alta velocidad
En la cadena de procesos 'clásica' de un taller de fabricación de moldes,
la electroerosión tiene un papel primordial. Para un buen número de
aplicaciones, el mecanizado de acero templado por corte a gran
velocidad manifiesta ser una alternativa ventajosa. Según las
aplicaciones, este método ofrece considerables ventajas en cuanto al
tiempo de ejecución, a los costes y a la calidad. Tres responsables de
talleres de mecanizado con series de fabricación diferentes dan
testimonio de sus experiencias.
Klaus Vollrath de Röders
Es bien conocido que con los centros de mecanizado y las modernas
herramientas de punta, ha sido posible mecanizar muy fácilmente
incluso piezas masivas en acero templado. Pero las ventajas de esta
tecnología ¿bastan para justificar una inversión en este tipo de equipo? El
acercamiento normal para juzgar este tipo de preguntas consistente en
argumentar que el cambio puro y simple de una tecnología por otra, más
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eficaz, es rentable se manifiesta a menudo impracticable. Esto se debe
principalmente a las limitaciones tecnológicas del fresado, sobre todo en
presencia de cajas profundas y estrechas o nervios delgados. En
consecuencia, un cambio puro y simple solo es posible raramente. De
todas formas, las ventajas del proceso de fresado a alta velocidad - sobre
todo por el hecho de su rapidez y de la precisión de las piezas - ofrecen al
usuario una gama de grados de libertad suplementaria muy tentadora.
Entre los aspectos principales se manifiesta, además de las ganancias
considerables concernientes a los costes, una reducción considerable de
los tiempos de ejecución en relación con la electroerosión que requiere
la fabricación previa de un electrodo. Tres responsables de talleres de
mecanizado con series de fabricación diferentes dan testimonio se sus
experiencias respectivas. Su punto en común es el uso del mismo tipo de
centro de mecanizado, una Röders RXP 500.
1. Ermet: ganancias de tiempo considerables
“Los moldes para conectores electrónicos representan uno de los
productos clave de nuestra gama de fabricación”, apunta Peter Büchler,
responsable de producción de Ermet GmbH en Bad Windsheim
(Alemania). Este taller de fabricación de moldes con 38 asalariados forma
parte del Grupo Ermet-Buck, una P.M.E. especializada en la producción
de productos punteros en material plástico. Los pedidos provenientes de
diferentes empresas del grupo representan alrededor del 70 por ciento
de su volumen de negocio, el resto debe adquirirse en el mercado libre.
La mayoría de los productos se destina a fabricantes de automóvil, de
equipo electrónico o de técnica médica, una clientela considerada de las
más exigentes. Esto vale particularmente para los moldes destinados a la
fabricación de conectores electrónicos múltiples o para la integración de
parillas conductoras estampadas en una pieza inyectada. Estos procesos
están a menudo altamente automatizados y caracterizados por piezas
con mucha filigrana con tolerancias muy estrechas.
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“Es necesario reconocer que para este tipo de moldes, no es fácil sustituir
la electroerosión por el fresado”, añade P. Büchler. Estos moldes se
caracterizan por una multitud de pequeños componentes enclavados
con clavijas a menudo muy estrechas cuya tolerancia está
frecuentemente limitada a 5 µm. Instalado en agosto de 2005, el sistema
de mecanizado por corte a alta velocidad RXP 500 ahora trabaja en dos
turnos, alcanzando el husillo un total de utilización anual de 3200 horas.
Los aceros que se mecanizan tienen una dureza de 52-54 HRC, las fresas
tienen normalmente diámetros de 2-3 mm, el máximo alcanza 8 mm.
Incluso tareas consideradas antes como críticas como los nervios de sólo
1 mm de ancho con una profundidad de hasta 9 mm se han vuelto
rutinarias. Entre las mayores ventajas del nuevo sistema, se cuentan los
tiempos de mecanización reducidos, disminución de costes y un
aumento de precisión. Un buen número de ajustes y superficies de
apoyo se fresan ahora directamente sin acabado por moldeado. Además,
la calidad de las superficies así como el desmolde después de inyección
se mejoran notablemente.
P. Büchler señala de todas maneras que para aprovecha al máximo esta
ventajas, han sido necesarias no poco 'trabajo de cabeza', por ejemplo en
vistas de una partición de los moldes teniendo en cuenta las restricciones
especificas de la nueva tecnología. “A fin de cuentas, el mecanizado de
acero templado por corte a alta velocidad no suplantará la
electroerosión, pero nos abre vías alternativas de las que tenemos
urgente necesidad”, tal es el balance de Peter Büchler.
2. Heckler : matrices para fabricación en gran serie
“Nuestras herramientas de conformar están sometidas a esfuerzos
extremos - a tal punto que se rompen por fatiga mucho antes de
alcanzar un desgaste significativo”, manifiesta Peter Heckler, PDG de la
sociedad Heckler AG en Niefern-Öschelbronn (Alemania). La empresa
está especializada en la fabricación de piezas de precisión en acero o en
aluminio conformadas por estampado en frío.
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Buen número de productos fabricados así se utilizan en dispositivos de
seguridad como por ejemplo los sistemas de tensión de los cinturones de
seguridad en el automóvil, y debe pues cumplir las más altas exigencia
en cuanto su calidad y su precisión. Si la producción de series muy
grande pone evidentemente los aspectos de coste en primer plano, une
flexibilidad máxima en lo concerniente al tamaño de los lotes de
fabricación y los plazos de entrega no son menos importantes. Respecto
la duración de vida tan restringido de las herramientas que típicamente
es de sólo 20.000 a 60.000 ciclos de producción, la productividad y la
rapidez del taller de utillaje representan factores de primera importancia
para el éxito comercial de la empresa.
“Para ciertas operaciones, la sustitución de la electroerosión por el
fresado a alta velocidad nos ha permitido efectuar ganancias de tiempo
de hasta el 70 por ciento”, explica Claudio Sandrini, jefe de métodos en
Heckler. Actualmente, el nivel de herramientas fabricadas por este
método alcanza el 60-70 por ciento. La mayoría está fabricada a partir de
aceros para trabajo en frío con durezas de 56-60 HRC. La Röders RXP 500
comprada a mediados de 2005 está provista de un cambiador de paletas
de ocho posiciones y de un almacén de herramientas de 100 posiciones.
La máquina trabaja a tres turnos.
Las estampas que produce son tan precisas que el seguro de calidad a
podido ser limitado a un control de muestras. Además, las estampas
fresadas tienen una mejor calidad de superficie y el acabado por pulido
se ha podido reducir en un 50-60 por ciento. Además, su dureza de
servicio es del 10-15 por ciento superior. Sin embargo, P. Heckler
concede que el corte a alta velocidad no remplazará completamente la
electroerosión.
3. ProForm : precisión máxima
“Para los moldes destinados a la fabricación de piezas inyectadas con
conductores eléctricos integrados, incluso la mínima divergencia
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dimensional es crítica”, explica Matthias Person, jefe de métodos en
ProForm Formenbau GmbH en Pforzheim (Alemania). Durante la fase de
inyección, los elementos del molde encajándose estrechamente
aseguran que la masa plastificada revista ciertas partes de los
conductores y le impiden penetrar en ciertos espacios reservados. Esta
tarea es tanto más difícil cuanto que las presiones del proceso de
inyección son enormes, el plástico tiene tendencia a penetrar incluso en
los intersticios más mínimos, lo que lleva a la formación de rebabas muy
finas difíciles de quitar que comprometen la funcionalidad del producto.
Además, estos moldes están constituidos por una multitud de
componentes a menudo muy afiligranados que deben ser posible
cambiar rápidamente después de un eventual desgaste. Llegado el caso,
es primordial una precisión extrema para minimizar los plazos de ajuste
antes de la puesta en marcha de la producción. Para ProForm, la
fabricación de estos componentes equivale pues a una lucha continua
mirando de alcanzar la última µm de precisión posible. El fresado a alta
velocidad se utiliza paralelamente y en combinación con otras
tecnologías como la electroerosión o el moldeo PTW.
“Comparado al sistema que utilizábamos antes, la nueva Röders
impresiona par toda una serie de ventajas”, reconoce M. Person. En
primer plano figura una duración de servicio de las fresas aumentado
hasta el 80 por ciento así como una disminución de alrededor del 60 por
ciento del tiempo de mano de obra necesario. La mayoría de los aceros
para trabajo en caliente utilizados tienen una dureza de 54 HRC pero
alcanzan hasta 60 HRC. El diámetro de las fresas varia entre 10 y 0,3 mm.
La mayoría de los aceros para trabajo en caliente utilizados tienen una
dureza de 54 HRC pero alcanzan hasta 60 HRC. El diámetro de las fresas
varía entre 10 y 0,3 mm
Otra ventaja es la precisión del nuevo centro de mecanizado que permite
reducir el tiempo de acabado en un orden de magnitud alcanzando cinco
hombres-puesto por molde. Una estación integrada de control
dimensional de la fresa con láser permite realizar tolerancias sobre pieza
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de 3-5 µm. Esta alta precisión permite pasar directamente del fresado al
moldeado PTW. Otra ventaja de esta precisión es que para moldes con
un plano de unión complejo, los gastos por el retoque son mínimos.
El punto común de los tres talleres presentados aquí es la puesta en
trabajo del mismo tipo de centro de mecanizado: una Röders RXP 500
dotada de motores de inducción lineal permitiendo alcanzar un máximo
de precisión y de dinamismo.
EvoBus realiza el mecanizado de aluminio utilizando la técnica ‘nesting’
17 de julio de 2008
La empresa EvoBus, filial de Mercedes, fabrica con la tecnología ‘nesting’
retales de aluminio de 4 mm. de espesor para confeccionar las
carrocerías de sus autocares. Numerosas y exhaustivas pruebas y la
evolución de la herramienta, en cooperación con el grupo
alemán Homag, permiten hoy el máximo aprovechamiento del material
mediante la tecnología ‘nesting’ o de ‘anidado’, una técnica que se
impone progresivamente en la industria de la madera en Estados Unidos
y Australia y que se basa en la optimización máxima de la materia prima
mediante el corte de las piezas sobre una única plancha, previamente
trazadas con la finalidad de aprovechar al máximo el material y la
energía.
Con velocidades de avance de hasta 6 m/min., los centros de mecanizado
Boz de Homag permiten la fabricación de planchas de aluminio con un
alto incremento de la productividad respecto a las técnicas de procesado
convencionales.
Empresas o entidades relacionadas
El mecanizado de alta velocidad, gran ayuda para moldistas
Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución
experimentada por la tecnología de fabricación en los últimos 10 - 15
años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de
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comunicación, etc, están revolucionado el mundo en general y en
particular el mundo empresarial. En el campo que nos concierne,
mecanizado-fresado, "el cambio o la revolución" ya ha llegado y, aunque
todavía queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a
Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad que muchas empresas y mucha
gente todavía desconocen. El MAV hoy en día es una tecnología de corte
con bases sólidas que abre las puertas del mecanizado de materiales y
figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado
convencional, como por ejemplo: materiales con una dureza superior a
50 Hrc o paredes delgadas de 0.2 mm, etc.
Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López
Centro de Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker
1. Pero, ¿qué es el mecanizado de alta velocidad?
¿Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? ¿Es mecanizar a altas
velocidades de husillo (n)? ¿Es mecanizar a altos avances (Vf)?…
Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es
que no significa obligatoriamente mecanizar a altas revoluciones de
husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de
husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro
(25 - 30 mm). Las condiciones del proceso (velocidad de corte, avance,
profundidades de corte radial y axial, etc) dependerán del material a
mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.
Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias
características de maquinabilidad, lo que nos marcará los 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
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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.
Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización
del mecanizado con las posibilidades existentes limitado por la
pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAMCNC)
disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre
5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional
"para cada material".
2. Un paso hacia el mecanizado óptimo
Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado
un paso importante hacia el mecanizado óptimo de cada material.A
medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas,
herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc… se irá
avanzando hacia la optimización general del mecanizado, en el que cada
material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus
herramientas,etc.
3. ¿Qué supone el MAV en una empresa?
La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el
mecanizado en óptimas condiciones y la posibilidad de mecanizar
algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte
Vc (>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.
4. Un cambio de filosofía
1) Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.
a) Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.
b) En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente
mayor que el gasto de tiempo en mecanizado.
c) Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a
pie de máquina.
2) Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas,
controles, etc.
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a) La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de
mecanizado deseada y al perfil objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).
b) 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.).
c) CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el
MAV.
d) La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la
operación requerida. Los recubrimientos aumentarán la vida de las
herramientas.
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.
Ventajas que ofrece el MAV
- Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles,
posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm)
- Mayor precisión de los contornos, mejor calidad superficial y tolerancias
dimensionales más precisas
- Reducción del tiempo de pulido
- Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado
- Mecanizado de paredes finas
- Reducción del tiempo de mecanizado y coste global
- Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta
- Evacuación casi total del calor por medio de la viruta
- Aumento en la vida de la herramienta
- Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera
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mecanizado en caliente.
5. Conclusión
Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado,
pero supone una oportunidad de optimización en determinados campos
de aplicación. más información:
http://www.metalunivers.com/arees/altavelo/tutorial/ introduccion.htm
http://www.highspeedmachining. net/
El fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices
En este artículo se determinan cuáles serían las líneas generales de
actuación para implantar la técnica de fresado a alta velocidad
distinguiendo entre la producción de moldes y matrices para piezas
pequeñas y grandes y teniendo en cuenta las particularidades, exigencias
y prioridades de cada una de ellas a la hora de gestionar la producción
de su taller.
Alejandro Gómez
Proyectos RDI
Fundación ASCAMM
Foto 1: Molde sencillo sin mecanismos para pieza pequeña,
adecuado para empezar y terminar su fabricación aplicando
la técnica de fresado a alta velocidad
Si diferenciamos la aplicación del fresado a alta velocidad a la fabricación
de moldes y matrices según el tamaño de pieza de plástico a
transformar, generalizando podemos distinguir entre los dos tipos de
producción siguientes:
a) Moldes y matrices para piezas pequeñas.
b) Moldes y matrices para piezas grandes.
A continuación se intenta diferenciar y caracterizar cuales serían las
líneas generales de actuación para implantar la técnica de fresado a alta
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velocidad distinguiendo entre estos dos tipos de producción, sabiendo
que cada caso tiene sus particularidades, exigencias y prioridades a la
hora de gestionar la producción de su taller.
1. Útiles para pieza pequeña.
La fabricación de utillajes para piezas pequeñas, ya sea molde de
inyección, matriz de corte, de embutición, etc., suelen tener como
característica que para su fabricación hay que arrancar poco volumen de
material. En estos casos puede ser una ventaja muy importante poder
fabricar toda la pieza en una sola estacada de máquina, trabajando con
el acero ya templado según las especificaciones de utilización del útil,
evitando así deformaciones, además de trabajar con unas tolerancias
dimensionales del orden de centésimas y unas rugosidades superficiales
de valores inferiores a la micra.
Es en este tipo de producción donde resulta más complejo implantar el
fresado de alta velocidad a la totalidad de la fabricación de la figura.
Partiendo del diseño CAD 3D de los postizos de figura a fresar, se
generan los programas de mecanizado con un sistema CAM.
La fase de programación en CAM es donde aparece el cuello de botella,
ya que el hecho de tener que realizar pequeños desbastes con acero
endurecidos hasta 65 HRc ó más, hace imprescindible emplear
estrategias de fresado adecuadas para que la vida de la herramienta sea
razonable. Para implantar con éxito el fresado a alta velocidad en este
tipo de aplicación es necesario potenciar la oficina técnica y más
concretamente la división de generación de programas CAM para poder
“alimentar” una fresadora de alta velocidad sin interrupciones de tiempo
prolongadas.
La calidad superficial que se puede obtener aplicando esta técnica
reduce considerablemente el tiempo de pulido de las figuras, además, las
tolerancias dimensionales que ofrecen estas fresadoras nos permiten
reducir también el tiempo y operaciones de ajuste del molde. La
limitación física más importante al aplicar esta técnica para pequeños
desbastes tenemos la vida de la herramienta.
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Con herramientas de geometría optimizada y con recubrimientos
adecuados en función del material de la pieza, el rendimiento de estas
una vez fijados los parámetros de corte óptimos, dependen en gran
medida de las estrategias de fresado empleadas. Como ejemplo vale
decir que fresando un acero endurecido, un valor programado de pasada
radial (Ae) correcto puede ser de un 5% del total del diámetro de la
herramienta, pero que en el momento que se mecaniza, dependiendo de
la geometría de la pieza, este valor de pasada radial se convierta en
según que tramos de su trayectoria en el 100% del diámetro.
Foto 2: Ejemplo de estrategia de fresado de una cajera con isla. En rojo se
ha representado el tramo en el cual la herramienta corta con todo su
diámetro.
Evidentemente en pocos casos se puede terminar la figura en su
totalidad solamente de herramienta, en la mayoría de los casos se hace
necesario complementos de fabricación con el proceso EDM.
Continuando con el esquema de la figura, como fase siguiente tenemos
la ejecución de los programas de fresado en el centro de mecanizado de
alta velocidad, obteniendo terminadas las piezas, o en su defecto
restando solamente el trabajo de electroerosión de las zonas donde no
ha podido llegar la herramienta.
Paralelamente al trabajo descrito, se generan los programas de fresado
de los electrodos, en esta ocasión sin tantas dificultades como se
presentan cuando se trabaja con aceros endurecidos, y posteriormente
se fresan obteniendo unos acabados excelentes con unos tiempos de
fresado inferiores hasta en un 60% que en fresado convencional.
Así pues, podemos decir que la fabricación de los electrodos aplicando la
técnica MAV aporta una disminución muy considerable del tiempo de
fabricación de estos, sin añadir grandes dificultades de programación,
con lo cual en estos casos las ventajas en cuanto a tiempo de producción
y calidad de producto son determinantes.
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2. Útiles para pieza grande.
La implantación del fresado a alta velocidad para la fabricación de útiles
de gran tamaño resulta menos compleja en la fase de CAM que en el
caso de la pieza pequeña, ya que a nivel de programación, no supone un
esfuerzo adicional demasiado elevado.
El fresado de alta velocidad para este tipo de producción está implicado
en la fase de semiacabado y acabado de las figuras, así como, igual que
anteriormente, en la fabricación de electrodos para EDM.
Partiendo del diseño en CAD 3D de la figura a fresar, por un lado se
generan los programas de desbaste para fresado convencional y por otro
los programas de semiacabado y acabado para terminar la figura
aplicando la técnica de alta velocidad.
Paralelamente a estos trabajos, al igual que en el caso anterior, se
generan los programas de mecanizado de los electrodos y se fresan
estos.
Posteriormente al proceso de fresado de desbaste y erosion se trata la
pieza y se realiza el semiacabado y acabado en una fresadora de alta
velocidad. Las ventajas que aporta el realizar el semiacabado y acabado
aplicando la técnica MAV son por un lado la reducción drástica de tiempo
de fresado, ya que si entendemos como rendimiento el ratio superficie
barrida por la herramienta por unidad de tiempo, una fresadora de alta
velocidad puede rendir del orden de cuatro veces más que una fresadora
CNC convencional, y por el otro, el aumento de la calidad obtenida y las
ajustadas tolerancias dimensionales implican una reducción del tiempo
de pulido y ajuste del orden de 50% al 80% según cada caso en
particular.
La inversión económica que se realiza en estos casos para la
implantación de esta técnica en un taller es muy elevada, ya que una
fresadora grande, de bancada fija tipo puente con unas características
dinámicas adecuadas para trabajar a Alta Velocidad tiene un coste de
adquisición alto, pero como contrapartida, los resultados de
productividad suelen ser más inmediatos que en el caso de producción
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de piezas de tamaño pequeño.
3. Ejemplos de aplicación realizados en la Fundación ASCAMM:
4.1. Placa de figura de doble cavidad para inyección de termoplástico
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 3 y 4)
Material pieza: Acero 1.2419 (ARNE)
Dureza: 60 HRc
Dimensiones de la placa: 180 x 80 x 30 mm
Funcionalidad: Cavidad de molde para inyección de termoplástico
Especificaciones de acabado: Pulido Herramienta mínima exigida por la
geometría: R = 0 mm
Herramienta mínima utilizada: R = 1 mm
Tiempo de fresado: 150 min.
La fabricación de esta pieza se ha realizado en un 95 % de su totalidad
mediante la técnica de mecanizado de alta velocidad, el 5% restante es
indispensable realizarla mediante la tecnología EDM ya que existe una
arista viva interior generada por planos inclinados.
4.2. Electrodo de cobre electrolítico para mecanizado por EDM
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 5)
Material pieza: Cobre electrolítico
Dureza: ————
Dimensiones del bloque: 120 x 60 mm
Funcionalidad: Electrodo para proceso EDM
Especificaciones de acabado: Pulido
Herramienta mínima exigida por la geometría: 4 mm
Tiempo de fresado: 143 min
Foto 5
La principal dificultad a la hora de fresar esta pieza viene dada por la
esbeltez de las agujas que la conforman, ya que por el efecto de las
vibraciones que se generan en la propia pieza se pueden doblar con
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mucha facilidad. La reducción del tiempo de mecanizado era el objetivo
principal del ensayo.
4.3. Placa figura punzón para molde inyección de plástico
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 6)
Material pieza: Acero 1.2344
Dureza: 54 HRc
Dimensiones del bloque: 245 x 196 x 70 mm
Funcionalidad: Figura punzón molde
Especificaciones de acabado: Pulido
Herramienta mínima exigida por la geometría: 6 mm
Tiempo de fresado: 20 horas
Foto 6
Esta pieza, a pesar de su tamaño, se realizó el desbaste, semiacabado y
acabado con el acero ya templado. El volumen de viruta que había que
arrancar no justifica el realizar el desbaste con el acero endurecido, pero
el objetivo de este ensayo fue validar el tiempo de vida de la herramienta
en condiciones de desbaste. El resultado de este ensayo resultó muy
satisfactorio, ya que la misma herramienta realizó el desbaste y el
semiacabado sin mostrar un deterioro de los filos de corte demasido
importante después de estar trabajando durante 16 horas.
4.4. Pieza para validación de estrategias de desbaste
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 7)
Material pieza: Acero 1.2419
Dureza: 58-60 HRc
Dimensiones del bloque: 160 x 80 x 30 mm
Funcionalidad: Ensayo validación estrategias de desbaste
Especificaciones de acabado: Pulido
Herramienta mínima exigida por la geometría: 1 mm
Tiempo de fresado: 22 horas
Foto 7
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Esta pieza se diseño especificamente para validar estrategias de fresado
de desbaste. Como características geométricas consta de superficies en
tres dimensiones, cajeras con islas y planos inclinados, ranuras, paredes
verticales, etc. El material seleccionado, un acero para trabajo en frio
templado a 58-60 HRc es lo suficientemente exigente con la herramienta
como para que se ponga de manifiesto de un modo determinante una
no adecuada trayectoria de esta.
4.5. Electrodo de grafito biela
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 8)
Material pieza: Grafito (tamaño medio de grano 4m)
Dureza: ————
Dimensiones del bloque: 220 x 100 x 30 mm
Funcionalidad: electrodo para proceso EDM
Especificaciones de acabado: Pulido
Herramienta mínima exigida por la geometría: 3 mm
Tiempo de fresado: 140 min
Foto 8
4.6. Electrodo de grafito nervio
CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 9 y foto 10)
Material pieza: Grafito (tamaño medio de grano 4m)
Dureza: ————
Dimensiones del bloque: 60 x 80 x 5 mm
Funcionalidad: electrodo para proceso EDM
Especificaciones de acabado: Pulido
Herramienta utilizada: 6 mm
Tiempo de fresado: 180 min
Foto 9
Foto 10
Durante el fresado del electrodo de grafito que se muestra en la imagen,
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se puso de manifiesto el problema de vibraciones que tiene lugar cuando
se mecanizan paredes delgadas. Se experimentó que es mucho más
eficaz para reducir la generación de vibraciones la utilización de
herramientas planas que con radio, ya que la componente de corte
lateral que tiene lugar con las herramientas de radio se empuja a la pieza
y se provoca una vibración de alta frecuencia.
4. Conclusiones:
El fresado a alta velocidad es una técnica que aporta unas ventajas muy
significativas a los procesos de fabricación y al producto obtenido en los
talleres moldistas y matriceros.
La implantación de esta técnica en los talleres tendrá unas lineas de
actuación distintas según sea el tipo de útil que se produzca, tal y como
se ha comentado anteriormente.
En todos los casos, pero, es necesario reestructurar la oficina técnica y
modificar los procesos de fabricación para adaptarse a las nuevas
exigencias de programación en CAM, tiempos de máquina, tiempos de
pulido, etc, ya que independientemente de la tipología de producción de
moldes y matrices que se realice, la disminución de tiempos globales de
fabricación y el aumento de la calidad del producto pone de manifiesto
que el esfuerzo, tanto económico como humano que se efectue para
llevar a cabo dicha implantación, se verá recompensado en un plazo más
o menos corto de tiempo.
5 • PRODUCCION MECANICA. Febrero 2000
El mecanizado de alta velocidad en la fabricación de estructuras
aeronáuticas
Una aplicación clara del mecanizado de alta velocidad es la fabricación de
estructuras aeronáuticas. La tendencia es cada vez más hacia el diseño
de componentes monolíticos, reduciendo al máximo el número de partes
ensambladas, disminuyendo el peso y obteniendo un comportamiento
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mecánico más homogéneo. En este tipo de piezas se elimina hasta un
95% del peso del bloque inicial.
Esto conlleva tener que eliminar una gran cantidad de viruta en un
tiempo mínimo. Además, las piezas finales están compuestas por zonas
de poca rigidez, lo cual dificulta su mecanizado.
Hasta hace poco, muchas de estas piezas eran producidas basándose en
anteriores experiencias y técnicas de prueba y error. El trabajo que se
está realizando desde Margune en este ámbito busca optimizar la puesta
a punto del mecanizado de este tipo de estructuras.
Como se puede observar en la figura 1 (a), las geometrías típicas se
componen de paredes delgadas y de membranas o suelos delgados, que
conforman cajeras y demás geometrías según su disposición.
1. Paredes Delgadas
La resolución del problema estático pasa por minimizar el esfuerzo
normal a la pared y aprovechar al máximo la rigidez de la pieza. Para ello
se han tenido en cuenta diferentes factores. Entre otros:
* Una correcta trayectoria de corte (b). Se escoge una trayectoria
escalonada de modo que en cada pasada exista soporte por el lado
opuesto de la pared.
* Un espesor óptimo previo al acabado (c). Si el espesor antes de
terminar la pared es muy pequeño el efecto del punto anterior se
minimiza y si es muy grande aumentan los esfuerzos de corte.
* Una buena elección del sentido de avance. Tras simular en el software
Cut-Pro, se determina que cortando en oposición la distribución de las
fuerzas es más favorable que en concordancia, ya que en el segundo
caso predomina la componente perpendicular a la pared.
Respecto al problema dinámico, se han de tener en cuenta, tanto la
vibración forzada (por la frecuencia de golpeteo de los dientes) como la
autoexcitada (chatter). En el segundo caso, se puede dar chatter de
máquina-fresadora durante el desbaste y chatter de la pieza en fases del
mecanizado cercanas a la geometría final (muy poco rígida). Hay que
estudiar los lóbulos de estabilidad (d) que definen condiciones de corte
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libres de chatter en función del régimen de giro del cabezal (rpm) y de la
profundidad axial (ap). Además se monitoriza el sonido producido en el
corte para poder detectar problemas dinámicos analizando la señal en
frecuencia (e).
Figura 1. Pieza monolítica (cedida por AEROMAC) y mecanizado de
paredes delgadas.
Para reducir el número de ensayos, se realizan simulaciones sobre
modelos de elementos finitos en los diferentes estados de la pared y así
valorar la conveniencia de unas condiciones frente a otras (f).
Con el objeto de minimizar los efectos de los problemas estáticos y
dinámicos, se utilizan herramientas con mango rebajado (g), de forma
que si la pared flecta no colisione con la herramienta generando marcas.
Se han conseguido mecanizar con éxito paredes de 300 x 50 x 0.3 mm.
(h)
2. Suelos delgados
En este caso se ha estudiado tanto el mecanizado de los mismos
utilizando utillajes con sistema de vacío como hacerlo con la pieza en
voladizo ya que, según la geometría de la pieza o la disponibilidad del
fabricante, no siempre se podrá utillar la pieza con apoyo a lo largo del
suelo.
Figura 2. Mecanizado de suelos y pieza real cedida por CASA-EADS.
La metodología seguida es similar a la expuesta en el análisis de las
paredes delgadas. Las dimensiones de los suelos analizados son 315 x
115 mm, siendo el espesor de los mismos diferente en el caso emplear
vacío, 0.5 mm, y el caso de mecanizado con el suelo en voladizo, 2 mm.
En la figura 2 se muestra una de las estrategias de corte diseñadas para
el mecanizado de suelos (a). También se pueden observar dos utillajes de
vacío utilizados: El b diseñado para las probetas de prueba y el c para
una pieza real cedida por CASA-EADS (d) que se ha mecanizado según las
estrategias definidas, con y sin vacío.
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Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser para
la fabricación de moldes
La implantación de la tecnología del mecanizado a alta velocidad en las
líneas de producción de moldes ha permitido obtener una reducción
considerable en el tiempo de fabricación y una mejora en el acabado
superficial. Pero, todavía existen problemas respecto a la limitación del
diámetro mínimo de herramienta y la necesidad de controlar el desgaste
y rotura de herramienta que se puede producir durante la operación de
fresado. En este sentido, el mecanizado láser presenta la oportunidad de
mejorar el proceso de fabricación actual de moldes al poder disponer de
una herramienta de muy pequeño diámetro y que no sufre desgaste
alguno. Por todo ello, el proceso combinado de fresado a AV y
mecanizado láser podría ser la solución, siendo este nuevo proceso
híbrido adecuado para la obtención de moldes con complejos detalles.
I. Etxeberria, I. Etxarri, G. Alberdi, J. Etxeberria.
Fundación Tekniker
Este trabajo presenta el estudio del proceso de mecanizado láser
realizado sobre un acero de moldes (X153CrMoV12) con el objeto de
determinar los parámetros de proceso más adecuados. Como requisitos
de proceso se consideran el acabado superficial y el tiempo de
mecanizado. Así mismo, la metodología del Diseño de Experimentos
permite identificar los parámetros de proceso más influyentes y su
relación con los resultados obtenidos.
Los fabricantes de moldes sufren cada vez mayores exigencias por parte
del cliente final, en cuanto a calidad, precisión, y coste de la pieza final.
Ello conlleva que estén continuamente buscando soluciones de mejora
del proceso de fabricación. A su vez, los fabricantes de máquina
herramienta están introduciendo nuevas tecnologías que permitan
obtener máquinas híbridas, capaces de llevar a cabo operaciones de
distinta índole en la misma máquina.
Aunque, las herramientas de corte actuales superan con creces las
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limitaciones que tenían hace unos años, pudiendo disponer fácilmente
de herramientas de fresado de diámetros de hasta 0.5mm, las exigencias
propias de las máquinas para dichas herramientas son muy altas.
Además, puede que se produzcan desgastes y/o roturas de herramienta,
o no se maximicen los ratios de producción.
El haz láser presenta la gran ventaja de ser una herramienta de trabajo
sin contacto, de diámetro muy pequeño, que no sufre ni roturas, ni
desgastes durante el proceso de mecanizado.
Al combinar las tecnologías del mecanizado y el láser en una misma
máquina, se obtiene una máquina híbrida capacitada para llevar a cabo
operaciones complementarias entre sí. La máquina DMU60L de Deckel
Maho, disponible en Tekniker es un claro ejemplo de máquina híbrida
fresado/láser.
En este artículo se recoge el estudio realizado en la búsqueda y
obtención de los parámetros de proceso más adecuados del mecanizado
láser. Se identifican dichos parámetros de proceso y se relacionan con
los resultados. El estudio presentado es un estudio que se ha llevado a
cabo específicamente para la máquina DMU60l.
Se planifica una amplia batería de experimentos, que tienen por objeto
identificar los parámetros de proceso que presentan el mejor resultado
en cuanto a acabado de pieza (menor rugosidad), y tiempo de
mecanizado (menor tiempo de mecanizado).
1. Procedimiento Experimental
2.1. Equipamiento disponible
El equipamiento disponible en Tekniker, tal y como se muestra en la
figura 1, es una fresadora modelo DMU60L de Deckel Maho, que dispone
de dos cabezales: cabezal de Mecanizado a Alta Velocidad y cabezal láser.
2.2. Cabezal de fresado a Alta Velocidad
Cabezal de 28kW de potencia que permite llevar a cabo el mecanizado a
alta velocidad, pudiendo trabajar hasta a 18.000rpm, con una velocidad
de avance de trabajo de 25m/min.
2.3. Sistema Láser
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Se dispone de un láser pulsado en estado sólido de Nd:YAG, con una
longitud de onda de 1,064ºm, bombeado por lámpara, cuya potencia
media es de 100W, y que ajustando la frecuencia del Q-Switch puede
conseguir potencias de hasta 20kW.
El cabezal láser dispone de:
• Palpador: permite medir la profundidad mecanizada.
• Cámara de visión: permite la precisa colocación de la pieza.
• Escaner de espejos: crea un área de trabajo de aproximadamente
70mm2.
Cuando se requiere un área de trabajo mayor, la máquina realiza
desplazamientos en sus ejes X-Y, según las necesidades del haz láser.
Se dispone de la opción de elegir el tamaño del diámetro del haz:
• Pequeño: 40ºm.
• Grande: 100ºm.
Figura 1. Máquina híbrida DMU60I
2.4. Software
El cabezal láser se controla mediante la aplicación LaserSoft 3D,
realizándose también la búsqueda de los parámetros de proceso
mediante este control.
A su vez, los programas de mecanizado son creados mediante la
aplicación LPSWin.
Dicha aplicación permite, tal y como se indica en la figura 2, partiendo de
un fichero CAD (volumen 3D), crear ficheros “tpf” que contienen las
estrategias de mecanizado y los parámetros de proceso asignados, todo
ello por capas. Por último, se crean unos programas “l4d”, que crean
trazos láser compatibles con la máquina.
2. Estudio del proceso
3.5. Material
El material estudiado es un acero de herramientas para trabajo en frío,
de calidad X153CrMoV12, que presenta un estado de temple y revenido,
con una dureza de 46 HRc.
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La forma de las probetas es rectangular, con dimensiones 80x70x20 mm,
que posibilitan su posterior caracterización en el microscopio electrónico
de barrido (SEM) y en el microscopio confocal.
Procedimiento experimental
El procedimiento seguido en la realización de la experimentación
consiste en la definición de unos parámetros de proceso iniciales,
suministrados por el fabricante, que se van optimizando según los
resultados obtenidos.
El objetivo es que los valores de rugosidad y tiempo de mecanizado sean
tan pequeños como sea posible.
De entre todos los parámetros de proceso, se eligen como variables
independientes a estudiar:
• Espesor de capa.
• Distancia entre haces.
• Velocidad del haz.
Se define un círculo de 5 mm de diámetro como forma geométrica a
mecanizar.
Previamente al mecanizado del círculo, se lleva a cabo una búsqueda de
tecnología, donde se ajustan los parámetros (frecuencia, intensidad,
parámetro First Pulse Killer (FPK)) para el material objeto de estudio.
Analizando las tendencias, y resultados obtenidos, se han ido ajustando
los parámetros hasta obtener valores de rugosidades adecuados.
En cuanto a la caracterización de las probetas, mediante un Perfilómetro
sin contacto de la marca PLº se han obtenido imágenes confocales que
permiten medir la rugosidad.
A su vez, mediante el microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-
5600LV, se han obtenido fotografías de la calidad superficial.
Figura 2. Creación de programa de mecanizado.
3.6. Resultados experimentales
La forma a mecanizar es un círculo de 5mm de diámetro. Para cada
grupo de parámetros de proceso, se han realizado tres repeticiones, con
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el objeto de valorar la repetitibilidad de los resultados obtenidos. Dos de
los ensayos se han realizado con una profundidad de mecanizado de
0,2mm, mientras que el tercer ensayo se ha llevado a cabo con una
profundidad de 0,4mm.
Debido a que el objetivo inicialmente propuesto era mejorar la rugosida,
al constatar que a diferente valor de profundidad de mecanizado, el valor
de la rugosidad obtenida varía, la mayor parte de la experimentación se
ha realizado con una profundidad de 0,2mm.
Los parámetros de proceso iniciales son los indicados por el fabricante
de la máquina para un acero común, y figuran en la tabla 1.
Tabla 1. Parámetros de proceso iniciales
El valor de la rugosidad Ra obtenido con estos parámetros es de
aproximadamente 2,2 micras. La imagen de la figura 4 muestra una
imagen de rugosidad obtenida con el microscopio confocal para estas
condiciones iniciales.
Figura 3. Imagen de la rugosidad
Figura 4. Imagen de la rugosidad
Figura 5. Imagen de la rugosidad
En cuanto al tiempo de mecanizado, con las condiciones de proceso
iniciales se necesitan 12 minutos para el mecanizado de la forma
geométrica definida.
Después de una extensa experimentación, se consigue un conjunto de
parámetros de proceso, con el que se obtiene una Ra de
aproximadamente 1ºm. En la figura 5 se muestra una imagen
correspondiente a este valor de rugosidad.
Se han obtenido diferentes grupos de parámetros de proceso que nos
dan una rugosidad de aproximadamente 1ºm, habiendo entre ellos
diferencia en cuanto al tiempo de mecanizado. El tiempo de mecanizado
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varía de 25 minutos a 42 minutos.
A su vez, el menor tiempo de mecanizado se consigue con una
combinación de parámetros que presenta una rugosidad de
aproximadamente 3,4ºm, que se muestra en la imagen de la figura 6.
Por último, se han comparado las imágenes obtenidas con el
microscopio electrónico de barrido, donde se puede apreciar que la
superficie obtenida con las condiciones que presentan la rugosidad más
pequeña es más uniforme que cuando la rugosidad tiene un valor más
grande.
En el caso del mecanizado en menor tiempo, se aprecian unos agujeros
en la superficie mecanizada.
Figura 6. Imágenes obtenidas con SEM: a) condiciones iniciales, b) mejor
rugosidad, c) menor tiempo
3. Mecanizado de Molde Ejemplo
Por último, se muestra un molde ejemplo mecanizado mediante la
tecnología híbrida. El material mecanizado es el mismo acero que el
estudiado mediante experimentación.
Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte,
realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de
acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser.
En las siguientes tablas y figuras se muestran las parámetros de proceso
utilizados, y las imágenes del molde en diferentes fases de su fabricación.
Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø2mm, con 4 filos de corte
Tabla 1. Operación de desbaste
Figura 7. Molde después del desbaste
Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte
Herramienta esférica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte
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Tabla 2. Operación de acabado
Figura 8. Molde después del acabado
Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte,
realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de
acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser
Los detalles más pequeños, como los que se muestran en la figura 9, se
mecanizan por láser.
Figura 9. Detalles mecanizados por láser
4. Conclusiones
Como conclusión general, mencionar que el proceso híbrido de
mecanizado por arranque de viruta y mecanizado láser es factible para la
obtención de moldes con formas geométricas pequeñas y complejas.
La operación de fresado a alta velocidad consigue una tasa alta de
arranque, mientras que el mecanizado láser permite la obtención de
pequeñas figuras complejas.
De todas maneras, es necesario realizar un estudio de viabilidad por
cada una de las piezas de interés, debido a que el láser es un proceso
muy lento, y no es válido para el mecanizado de profundidades a partir
de 5 mm.
Como conclusiones particulares del proceso que se obtienen, después de
analizar las tendencias seguidas por los resultados en función de los
parámetros de proceso, son:
Rugosidad
• A menor espesor de capa, menor es el valor de la rugosidad.
• A menor valor de distancia entre haces, menor es el valor de la
rugosidad.
• La velocidad no influye mucho en el valor de la rugosidad.
• La rugosidad obtenida con el haz de mayor diámetro, es peor que con
el diámetro pequeño.
• A menor profundidad de mecanizado, menor es la rugosidad.
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Tiempo
• El diámetro del haz no influye en el tiempo de mecanizado, para el
mismo valor de h.
• El tiempo de mecanizado es menor, cuando el espesor y la distancia
entre haces es mayor.
Agradecimientos
Se agradece a la convocatoria Etortek del Gobierno Vasco, la subvención
realizada al CIC Margune, que ha permitido abordar nuevos procesos de
fabricación, entre los cuales se encuentra el Mecanizado Híbrido
Fresado/Láser.
La electroerosión frente al mecanizado de alta velocidad
El mecanizado de alta velocidad (MAV) es uno de los temas favoritos en
las discusiones actuales sobre las tecnologías modernas de fabricación,
ya que este proceso ha avanzado sustancialmente desde hace poco. Sin
embargo, las inversiones en procesos de manufactura tienen un tiempo
de vida largo e influyen en la rentabilidad, calidad y tiempo de
fabricación. Los nuevos procesos de manufactura no cubrirán nunca
todas las demandas de todas las aplicaciones, y deben ser confrontados
con alternativas. Este artículo presenta una comparación objetiva entre el
mecanizado de alta velocidad y la electroerosión, en términos de sus
capacidades técnicas, económicas y ecológicas, con el fin de ayudar a los
inversores a encontrar una base de decisión fiable. Se propondrá una
pieza de referencia típica para evidenciar las aplicaciones características
para la electroerosión, en comparación con las referencias existentes
para mecanizado de alta velocidad.
Las herramientas para formar “piezas en forma de red” en un único paso
de fabricación, como por ejemplo el “moldeado por inyección”,
“estampación con matriz”, “moldeado por inyección de metal” y otras se
están convirtiendo en las tecnologías de producción claves. Para que las
herramientas de mecanizado sean efectivas en comparación con otras
tecnologías, se necesita una mayor flexibilidad para el cambio, sistemas
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de cambio más rápidos, producción de series cortas a bajo coste y – lo
más importante – una excelente organización y velocidad en la
fabricación de herramientas dedicadas e innovadoras. Sería ideal que las
herramientas utilizadas duraran con facilidad lo suficiente para producir
series cortas y medias, y que mantuvieran la precisión en las secciones
delicadas, gracias a un bajo desgaste. Esto implica realizar herramientas
de materiales ultraduros.
Desde hace varios años los investigadores de producción mecánica
trabajan intensamente en la optimización del diseño de herramientas
para procesos de deformación, y en la innovación y mejor adaptación de
las tecnologías de mecanizado de acuerdo con los requisitos prácticos. La
electroerosión comenzó en 1954 para aplicaciones prácticas y desde
entonces ha crecido hasta adoptar la posición de tecnología común y
bien aceptada en los talleres de fabricación de herramientas y utillajes.
Tanto la versión de electroerosión por penetración, cómo la
electroerosión por hilo están bien introducidas y se aplican con
normalidad. Su inconveniente es la complejidad inherente a esta
tecnología. [4] Dado que la formación profesional en electroerosión se
ofrece en contadas ocasiones, en la mayoría de los talleres estos
procesos se aplican a partir de “recetas de cocina” adaptadas
empíricamente por los propios usuarios.
Las tecnologías de fresado y, en general, de arranque de viruta se usan
desde hace mucho más tiempo y tanto su enseñanza como su
documentación son mejores. El arranque de material ha recibido un
nuevo impulso y ha ganado interés desde la introducción del MAV
(Mecanizado de Alta Velocidad). [1-3].
1. Desarrollos en fresados de alta velocidad
Desde que los ajustes utilizados para el rectificado (alta velocidad de
corte, tamaño de viruta pequeño, mayor ángulo de cizallamiento) fueran
introducidos en el fresado, junto con un ángulo de herramienta bien
definido, se ha hecho posible el mecanizado de materiales duros o
endurecidos; con una tasa de eliminación de material incrementada y,
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además, ganando en un acabado superficial muy fino. Las herramientas
usadas, sin embargo, necesitan ser fabricadas a partir de los materiales
con mayor resistencia al desgaste, como el carburo de tungsteno, por
ejemplo. Estas herramientas muestran un riesgo de daño mayor y un
tiempo de vida más corto. El fresado de alta velocidad requiere una
planificación más cuidadosa y una mejor orientación del ángulo de
mecanizado en relación a la superficie, para conseguir la alta velocidad
de corte en la periferia de la herramienta, mientras que el centro de
rotación tiene velocidad nula. También hay limitaciones de diseño
respecto al husillo. Velocidades de 18.000 a 25.000 rpm son comunes,
pero al usar herramientas de pequeño diámetro, son deseables
velocidades de 60.000 a 80.000 rpm. El centro de mecanizado no sólo
necesita husillo de alta velocidad, sino además su cuerpo debe ser rígido,
libre de vibraciones, y con guías y actuadores rápidos. La variación del
ángulo de mecanizado es posible sólo en máquinas que llegan a tener 7
ejes programados. Ello requiere de CNC especiales, y de largos ciclos de
programación y comprobación de ausencia de colisiones. Durante el
procesado, en una situación ideal se monitorizan el desgaste de la
herramienta y las fuerzas de corte. Las figuras 1 a 3 ofrecen una vista de
conjunto de las aplicaciones tecnológicas. La figura 4 muestra dos piezas
de referencia propuestas en Alemania.
Fig. 1: Ajustes tecnológicos del fresado en 3 dimensiones
Fig. 2: Mecanizado de Alta Velocidad: ejemplos típicos
La viruta transporta el calor gracias a un ángulo de cizallamiento elevado
Fig. 4: Piezas de referencia para fresado de alta velocidad
2. Puntos fuertes en la aplicación de procesos de electroerosión
Las descargas eléctricas, las herramientas en los procesos de
electroerosión, encuentran su camino en la brecha de mecanizado (“gap”)
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rellena de dieléctrico en cualquier dirección por autoignición. El proceso
aplica calor y presión. En consecuencia, es independiente de la fortaleza
mecánica de la pieza. Esto permite el mecanizado de cualquier forma,
incluso cortes sesgados o grabados en la pieza. Si la geometría formada
directamente por copia de un electrodo-herramienta (electroerosión por
penetración) o indirectamente por un camino de herramienta
programado (electroerosión por hilo) no producen el resultado deseado,
puede aplicarse cualquier movimiento superpuesto. Los ejemplos más
conocidos son penetración planetaria y corte por hilo en ángulo.
Puesto que el electrodo-herramienta puede moverse por medio de CNC
en cualquier dirección vectorial cartesiana, las instalaciones de
electroerosión no requieren más de 4 ejes operables simultáneamente.
Son, por ello, relativamente fáciles de programar. La figura 5 muestra lo
intricadas que pueden llegar a ser las geometrías mecanizadas por
electroerosión. Son el resultado de la capacidad de las chispas de
encenderse en cualquier dirección, y de la posibilidad de copiar la
geometría de los electrodos, de generar nuevas formas por medio de
movimiento CNC vectorial de electrodos con forma y de superponer
movimientos a operaciones programadas. Finalmente, también de la
capacidad de secuenciar el mecanizado de secciones de geometría
parciales o de combinar una pluralidad de grabados en una operación de
electro mecanizado utilizando electrodos en forma de bloque.
La figura 6 muestra una instalación de electroerosión por penetración ZK
600 con equipo completo, que incorpora intercambio de herramientas y
alimentación de piezas paletizada, diseñada para uso 24 horas al día 7
días por semana. La planificación del trabajo y el control de los intervalos
de mantenimiento deben organizarse para que se ejecuten durante los
turnos de día, a pesar de las largas series de mecanizado. De otra forma,
se pierde la mayor parte de la ventaja económica.
Fig. 5: Mitades de molde electroerosionadas para terminales de fijación
moldeados por inyección
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3. Propuesta de evaluación de una pieza para electroerosión
A nivel de taller, sería ideal disponer libremente de las tecnologías de
MAV y electroerosión y usar sus ventajas allí donde sean aplicables. Las
inversiones para ambos tipos de equipos, sin embargo, son todavía
elevadas y las capacidades de fabricación de ambas deben usarse
completamente si se requiere un buen equilibrio económico y
competitivo. Las empresas pequeñas y medianas deben pues decidir de
acuerdo con sus preferencias. Las figuras 8 y 9 muestran argumentos
para comparar ambas tecnologías.
La electroerosión por penetración requiere siempre de la preparación de
electrodos, bien sea de cobre o grafito. En muchas ocasiones son
fresados. Por ello, algunas empresas invierten primero en equipos de
fresado. Normalmente los electrodos muestran una forma convexa. El
material y la geometría facilitan el procedimiento de mecanizado. El corte
por electroerosión ofrece buenas alternativas para la preparación de
electrodos, si se precisa de un afilado fino.
Para facilitar las decisiones de inversión de los fabricantes de
herramientas y para referirse más a requisitos geométricos, se propone
una pieza de referencia para la electroerosión (ver figura 10). Dicha pieza
ofrece una pluralidad de formas típicas, que se mecanizan
favorablemente por electroerosión por penetración o en combinación.
Pieza de referencia para electroerosión por penetración
El objetivo de la pieza de referencia no es su fabricación completa.
Pueden seleccionarse, para prueba o investigación, una de las
geometrías típicas. La amplia abertura en el centro debería ser fresada o
taladrada antes de templar el bloque, para evitar cualquier tensión
residual a través de esta sección. Dos electrodos de grafito planos fijados
de una estacada a la distancia necesaria se usarán luego para erosionar
las caras laterales. Un electrodo de grafito fresado con la plaqueta frontal
(5 x 5 mm / prof. 2,5 mm) será usada a continuación para acabar la
abertura. El ejemplo de abertura en forma de túnel se erosiona en la
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dirección correcta combinando los ejes Z+ e Y- y por medio de un
electrodo de cobre.
Fig. 6 Instalación para electroerosión por penetración
para electrodos-herramienta autónomos e intercambio de piezas
Las ranuras con una relación profundidad / anchura muy elevada pueden
ser erosionadas con electrodos de grafito y con limpiezas (flushing)
temporizadas, rectificados planos con el adecuado exceso (negativo).
Para el ángulo de 90° puede usarse dos electrodos planos fijados al
soporte adecuado. También se propone el uso de un electrodo de grafito
para erosionar la ranura perfilada. Este electrodo se fabrica por fresado
de una barra de grafito sólido, fijada a un portaherramientas, y usando
un control numérico con control de trayectoria (ver figura 11).
Los dos grabados en forma de “cruz suiza” pueden usarse para
comprobar el uso de cobre o grafito. El electrodo necesario puede verse
también en la figura 11. Si se fresa con un equipo moderno de 5 ejes, se
necesita 1,5 h de trabajo, excluyendo la programación.
En un lado de la pieza de referencia se muestra una serie de ranuras de
cola de milano. Estas formas se usan para unir piezas complementarias.
El electrodo puede fresarse plano con facilidad. Todas las ranuras
paralelas se erosionan de una vez. El perfil de la esquina derecha de la
fotografía es un ejemplo para el mecanizado de formas complejas
siguiendo una trayectoria. El electrodo es simplemente torneado a partir
de cobre o grafito y puede rectificarse con facilidad, si la combinación de
diámetros lo permite. Esta operación evita la fabricación de una
herramienta especial, y del tiempo y coste asociados.
Fig.10: Pieza de referencia para electroerosión por penetración
Fig. 11: Ejemplos de electrodos para electroerosionar la pieza de
referencia
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4. Posibilidades de combinación
La descripción de las diferentes características de la “Pieza de referencia
para electroerosión” han evidenciado la posibilidad de combinar las
tecnologías de MAV y EDM. Cuando ambos procesos pueden efectuarse
bajo el mismo techo, es la opción recomendable. De otra forma, los
electrodos de perfil de cobre o grafito pueden fabricarse así mismo por
electroerosión usando el hilo como electrodo. Las opciones de corte
inclinado también permiten el mecanizado de caras ligeramente
inclinadas, o bien cortes posteriores permiten crear piezas
tridimensionales. Existe tres modos de combinar la aplicación de la
electroerosión por penetración y el fresado de alta velocidad:
* Fresar las formas amplias de una herramienta, como por ejemplo, una
matriz para formar combinaciones de parachoques y spoiler;
seguidamente, la erosión por penetración realiza las ranuras, soportes y
detalles complicados
* Utilizar el fresado de alta velocidad para la preparación de electrodos.
Los materiales usados para fabricar electrodos son más fáciles de
mecanizar que un acero endurecido y las formas exteriores son
fácilmente accesibles por cualquier fresadora (ver figuras 12 y 13)
* Utilizar operaciones de fresado “basto” (taladrado) o de ranurado para
la preparación de bloques bastos antes de su temple para evitar
posteriores deformaciones por tensión
Fig. 12. Electrodos de grafito fresados para moldes de inyección para un
terminal de fijación
Fig. 13.- Bloque de electrodos fresado en alta velocidad con diversas
aletas largas para erosionar un molde
5. Conclusiones
Este artículo trata de los criterios técnicos para delimitar dos tecnologías
de fabricación: fresado de alta velocidad y electroerosión por
penetración. Cada método domina un área de aplicación en función de
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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.
En un resumen breve, podría decirse que el MAV ofrece la máxima
velocidad de eliminación de material combinada con una excelente
calidad de superficie, y una tolerancia un poco menor para grabados
esencialmente planos y grandes volúmenes de producción. La
electroerosión por penetración encuentra su campo de aplicación por
excelencia son las formas con ranuras profundas, complejas e intricadas
y también en las aplicaciones que llegan a dimensiones micro.
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.
Fig. 14.- Áreas de partición para el mecanizado en baja y alta velocidad y
la electroerosión en función del tamaño de la herramienta y la dureza de
la pieza
6. Bibliografía
[1] 1996 Schulz, H.: “Hochgeschwindigkeitsbearbeitung” (Mecanizado de
alta velocidad); Carl Hanser Verlag, Múnich, ISBN 3-446-18796-0
[2] 1999 Schmid, U. “HSC am harten Werkstück und an der weichen
Elektrode” (Mecanizado de alta velocidad de piezas duras y con
electrodos blandos) - Maschinenfabrik W. Fehlmann AG, CH-5703 SEON
www.fehlmann.com
[3] 1999 Benchmark-Werkstück HSC (Pieza de referencia para
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Mecanizado de Alta Velocidad); Makino/Alphacam.
Alphacam, Wienerstrasse 33, D-73614 Schorndorf, www.alphacam.de
[4] 1988 Schumacher, B.; Weckerle, D.: “Funkenerosion, richtig verstehen
und anwenden” (Electroerosión: buena comprensión y aplicación),
Technischer Fachverlag K. H., Möller, D-5620 Velbert, ISBN 3-9801934-0-3
Seguridad en máquinas de alta velocidad
Manual de seguridad laboral para máquinas-herramienta de trabajo de
los metales en frío
La Fundación Invema, junto a Osalan, el instituto vasco de seguridad y
salud laboral, han elaborado un manual-guía de recomendaciones para
que, tanto los fabricanbtes de máquinas como, especielmente, sus
usuarios, cumplan con las disposiciones mínimas de seguridad
contenidas en el anexo I Real Decreto 1215/97.
El manual consta de dos partes: en la primera se dan soluciones de tipo
general para cada uno de los puntos del anexo I del mencionado RD; en
la segunda, se dan soluciones específicas para cada uno de los puntos de
dicho anexo en 27 tipos distintos de máquinas.
1. Disposiciones mínimas generales aplicables a las máquinas
2.1. Órganos de accionamiento
Los órganos de servicio de un equipo de trabajo deben ser claramente
visibles e identificables y, en caso necesario llevar un etiquetado
apropiado.
Colores indicativos:
-Puesta en marcha/puesta en tensión BLANCO
-Parada/puesta fuera de tensión NEGRO
-Parada de emergencia ROJO
-Supresión de condiciones anormales AMARILLO
-Rearme AZUL
Tipos de órganos de mando:
-Pulsador : Salvo el de parada deben de estar encastrados
-Pedal: Protegido contra accionamientos involuntarios
-Barra: No debe utilizarse salvo para la función de parada.
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-Mando a dos manos: Debe tener sincronismo y eficaz contra el burlado.
Serán tipo pulsador.
Posicionamiento:
-Situados en la proximidad del puesto de mando y fuera de la zona de
peligro, salvo el de parada de emergencia.
-Desde el puesto de mando se dominará toda la zona de operación, en
caso contrario la puesta en marcha debe ser precedida de alguna señal
de advertencia acústica o visual.
2.2. Puesta en marcha
La puesta en marcha debe obedecer a una acción voluntaria del
operador sobre un órgano de accionamiento puesto a tal fin.
Tras un corte de energía (eléctrica, neumática, hidráulica,), su posterior
reanudación no deberá dar lugar a la puesta en marcha de las partes
peligrosas del equipo de trabajo.
Se debe impedir que un equipo de trabajo se pueda poner en marcha:
-Por cierre de un resguardo con dispositivo de enclavamiento.
-Cuando una persona se retira de una zona cubierta por un dispositivo
sensible, tal como una barrera inmaterial.
-Por la maniobra de un selector de modo de funcionamiento.
-Por el desbloqueo de un pulsador de parada de emergencia.
-Por el rearme de un dispositivo de protección térmico, salvo en ausencia
de riesgo.
En equipos de trabajo portátiles, el órgano de puesta en marcha deberá
ser tipo sensitivo, de forma que la parada tenga prioridad sobre la puesta
en marcha al soltar el órgano de mando.
2.3. Parada
La orden de parada debe tener prioridad sobre todas las demás.
Tipos de parada:
-Parada general: Todo equipo de trabajo debe tener una parada
CATEGORÍA 0 (supresión inmediata de la energía de los accionadores de
la máquina).
-Parada desde el puesto de trabajo: Esta función de parada está
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destinada a permitir que un operador pueda parar el equipo de trabajo
cuando deba intervenir en una zona peligrosa, para una operación
puntual.
Este tipo de parada puede ser de:
Categoría 1: al ordenar la función de parada ésta se produce cuando el
equipo de trabajo se halla en posición de seguridad (por ejemplo cuando
termina el ciclo).
Categoría 2: al ordenar la función de parada el equipo de trabajo para
ese momento pero mantiene sus fuentes de energía activadas.
-Parada de emergencia: Un dispositivo de parada de emergencia debe
permitir parar una máquina en las mejores condiciones posibles, es
decir, mediante una deceleración óptima de los elementos móviles.
Esta parada puede ser de Categoría 0 o de Categoría 1 en función del
tipo de máquina.
El órgano de mando que permite obtener esta función de parada de
emergencia (pulsador de “manotazo”, cable, barra,...) debe ser de color
rojo y preferentemente colocado sobre un fondo amarillo.
En realidad, tratándose en particular de máquinas en servicio , la
colocación de un dispositivo de parada de emergencia sólo tiene sentido
en el caso de que el tiempo de parada que permite obtener sea
netamente más corto que el obtenido con la parada normal, lo que
requiere un frenado eficaz.
2.4. Caída de objetos y proyectores
Se pretende prevenir los riesgos mecánicos generados por la caída o la
proyección de objetos o materiales provenientes del equipo de trabajo.
Estos pueden ser objetos, cuya caída o proyección viene ligada al
funcionamiento del equipo de trabajo u objetos que de forma previsible
pueden salir proyectados o caer accidentalmente.
Las medidas preventivas a adoptar estarían destinadas a proteger no
sólo los operadores sino también a cualquier otra persona que pueda
estar expuesta a estos peligros.
Consistirían esencialmente en proveer a los equipos de trabajo de
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resguardos fijos o móviles de adecuada resistencia y/o de colocar
obstáculos o cualquier oro medio para impedir que las personas
próximas puedan estar expuestas a estos riesgos.
En el caso de equipos de trabajo que manipulen piezas en suspensión se
tomarán medidas adecuada para evitar la caída de los mismos incluso en
caso de cortes de energía.
2.5. Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
Cuando exista el riesgo en un equipo de trabajo de emisión de gases,
vapores, líquidos o polvos, como regla general se tratará de efectuar la
captación de los mismos en su origen, por lo cual se tratará de integrar
en el diseño de los resguardos o carcasas los elementos de captación y
extracción.
Se estudiará en cada caso particular el tipo de emisión existente y en
función de ello se diseñará el elemento extractor o captor y sus
características, tales como, instalación eléctrica , vía húmeda o seca,
mangueras, filtros, depósitos de recogida...
2. MEDIOS DE ACCESO Y PERMANENCIA
Cuando la utilización de un equipo de trabajo requiere la presencia de
uno o varios operativos sobre el mismo y en particular en zonas de
peligro de caída de altura de más de 2 metros, debe dedicarse una
especial atención tanto a los medios de acceso como a las zonas de
permanencia.
Las características de los medios de acceso, plataformas y barandillas se
realizarán de acuerdo a lo establecido en el Real Decreto 486/1997 sobre
lugares de trabajo.
3. ESTALLIDOS, ROTURAS
Se entiende que en un equipo de trabajo ya instalado, el riesgo de
estallido o rotura se deriva de un mantenimiento inadecuado o de un
envejecimiento de los materiales del equipo. Por ello, las medidas
preventivas a adoptar deberán ser:
-Respetar las condiciones de utilización de estos equipos tal como son
recomendada por los fabricantes.
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-Dedicar un atento cuidado al mantenimiento, especialmente cuando no
es posible colocar resguardos eficaces.
4. ELEMENTOS MÓVILES
Los elementos móviles de un equipo de trabajo pueden ser elementos
móviles de transmisión o elementos móviles que intervienen en el
trabajo
Elementos móviles de transmisión:
Estarían en este grupo, los árboles de transmisión, correas, poleas,
rodillos, cadenas, cables, bielas.
Excepto para operaciones de mantenimiento, generalmente no es
necesario, durante el funcionamiento normal de una máquina, el acceder
a estos órganos en movimiento. Es preciso por tanto impedir que
puedan ser alcanzados. La solución más simple consiste en colocar
resguardos fijos que puedan aislar totalmente los elementos peligrosos o
bien impedir localmente el riesgo.
De ser necesario el acceder frecuentemente a ciertos órganos de
transmisión , es preciso recurrir a resguardos móviles equipados con un
dispositivo de enclavamiento o con dispositivos de sensor.
En la práctica las máquinas antiguas están a menudo equipadas con
resguardos móviles, sin enclavamiento eléctrico, que permiten acceder a
los órganos de transmisión de movimiento, este caso es particularmente
frecuente en numerosas máquinas-herramientas en funcionamiento.
Es preciso entonces:
O bien transformar este resguardo móvil en fijo si la frecuencia es
pequeña o bien equipar este resguardo con una cerradura con llave.
Equipar este resguardo con un dispositivo de enclavamiento asociado.
Elementos móviles de trabajo:
Son aquellos elementos que ejercen directamente una acción sobre el
material y desarrollan su actuación en la zona de operación.
Desde el punto de vista de prevención hay que considerar tres casos:
1- Que pueda hacerse totalmente inaccesible la zona de trabajo.
Para alcanzar este objetivo la solución más frecuente consiste en equipar
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al equipo de trabajo con:
Resguardos fijos en las partes en las que no es necesario acceder más
que excepcionalmente o con poca frecuencia.
Resguardos móviles para permitir la carga y/o descarga manual de las
piezas. Estos deben estar asociados a un dispositivo de enclavamiento o
enclavamiento y bloqueo si los riesgos lo justifican.
Equipos de protección electrosensibles (ESPS), mandos bimanuales...
2- Accesibilidad parcial a los elementos móviles de trabajo.
Cuando no es posible impedir totalmente el acceso a los elementos
móviles de trabajo es preciso, como en el caso precedente, equipar con
resguardos fijos las partes de la zona de trabajo o del utillaje a las que no
es necesario acceder y colocar resguardos móviles, fácilmente
regulables , sobre la parte activa del elemento de trabajo.
3- Accesibilidad inevitable a los elementos móviles de trabajo.
En este caso las medidas que pueden tomarse para reducir las
consecuencias de un accidente son:
-Limitación de las velocidades
-Utilización de dispositivos de parada de emergencia dispuestos
estratégicamente junto al operario.
En operaciones especiales como cambio de utillaje , regulación, etc. En
los que hay que tener el elemento móvil accesible se deberá disponer de
medidas de protección complementarias, tales, como, mando sensitivo, a
impulsos , etc.
9- ILUMINACIÓN
El objetivo es asegurar en cada puesto de trabajo o de intervención un
nivel de iluminación adecuado teniendo en cuenta el trabajo a realizar y
la naturaleza del puesto. Es evidente que este nivel será muy diferente
según que se trate, por ejemplo, de un simple puesto de carga sobre
máquina o de un puesto de trabajo en micromecánica de alta precisión.
A título indicativo se tendrán en cuenta los niveles de iluminación
indicados en el anexo IV del R.D.. 486/1997 sobre lugares de trabajo.
Para alcanzar los niveles de iluminación adecuados se puede optar por:
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-Utilizar la iluminación ambiente natural o artificial presente en el lugar
de trabajo, en la medida en que ésta sea suficiente.
-Colocar localmente en el puesto de trabajo un aparato adicional de
iluminación fijado en permanencia.
-Cuando se trate de zonas en las que tengan lugar intervenciones poco
frecuentes tales como operaciones de mantenimiento, asegurarse de
que una toma de corriente situada en la máquina o en su proximidad
permita la conexión de una lámpara transportable.
En lo referente a los equipos de iluminación integrados en las máquinas
se recomienda utilizar una tensión de alimentación inferior a 50V. Sin
embargo al tratrarse de material ya en servicio, se admite utilizar una
tensión superior presente en la máquina (120 V. Ó 230 V.), salvo en
medio húmedo.
-Se recomienda igualmente evitar el empleo de tubos fluorescentes para
evitar efectos estroboscopios peligrosos en ciertas máquinas.
10- SUPERFICIES CALIENTES O MUY FRÍAS
La temperatura superficial a considerar para evaluar el riesgo depende
de la naturaleza del material ( metal, material plástico,...) y de la duración
del contacto con la piel. A título indicativo , en el caso de una superficie
metálica lisa, se admite generalmente que no existe riesgo de
quemadura por contacto involuntario (máximo 2 a 3 segundos) si su
temperatura no excede de 65º C. Por debajo de esta temperatura no es
necesario por tanto la aplicación de medidas de seguridad.
En el caso de que exista un riesgo significativo, se pueden aplicar una o
varias de las medidas siguientes , siempre que no interfieran en el
proceso de trabajo:
-Colocación de un aislante térmico alrededor de los elementos
peligrosos.
-Adaptación de resguardos para permitir la evacuación de calorías
(rejillas, chapa perforada,...)
-Supresión global de acceso a la zona peligrosa mediante barandillas o
cualquier otro tipo de resguardo material.
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-Aplicación de cortinas de aire o de agua.
En el caso en que las superficies deban estar calientes y accesibles, será
necesario utilizar los equipos de protección individual apropiados. A este
respecto debe aplicarse el R.D. 773/1997 de 30 de Mayo sobre: utilización
de equipos de protección individual.
11- DISPOSITIVOS DE ALARMA
En aquellas máquinas complejas en las que desde el puesto de mando
no se puedan controlar las diversas zonas de operación , se instalarán
señales de alarma que deberán ser perceptibles y comprensibles y sin
ambigüedades.
Cuando la interrupción del proceso de trabajo de un equipo, pueda
generar algún tipo de riesgo deberá colocarse algún dispositivo de
alarma con las condiciones anteriormente citadas.
12- SEPARACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA
El objetivo de este apartado es obtener que se pueda, en cada máquina,
mediante una consignación, intervenir sin riesgo, particularmente para
las operaciones de mantenimiento (revisión , reparación, limpieza...)
La consignación de una máquina incluye fundamentalmente:
La separación de todas sus fuentes de energía: eléctrica, neumática ,
hidráulica, mecánica y térmica.
La condenación, es decir el enclavamiento de los dispositivos de
separación, cuando haya riesgo de restablecimiento imprevisto de la
energía.
La disposición de las energías acumuladas.
Energía eléctrica:
En lo referente a la energía eléctrica, la separación puede quedar
asegurada mediante:
-Un seccionador
-Un seccionador equipado con contactos de precorte
-Un interruptor –seccionador
-Un disyuntor que disponga de la función de seccionado.
-Una toma de corriente para una intensidad inferior o igual a 16 A y una
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potencia total inferior a 3 kW.
La utilización de un seccionador debe ser objeto de una atención
particular ya que este aparato está concebido para funcionar en vacío y
puede explotar si es maniobrado en carga tras una falsa maniobra. Los
seccionadores equipados con contactos de precorte permiten eliminar
este riesgo en la medida en que estos contactos estén conectados
correctamente.
Los dispositivos de separación deben, por su tecnología, ofrecer todas las
garantías de que a cada posición (abierto / cerrado) del órgano de mando
corresponda de forma inmutable la posición (abierto / cerrado) de los
contactos. Esto es particularmente importante cuando losa aparatos no
sean de corte visible o de corte totalmente aparente.
La retirada de la clavija de una toma de corriente puede ser considerada
como una acción equivalente a una consignación en cualquier máquina
pequeña en la que se tenga la certeza de que esta ficha no podrá ser
reinsertada en su zócalo con desconocimiento de la persona que
interviene en la máquina.
Energía hidraúlica y neumática;
Para estas energías, el dispositivo de separación podrá ser un grifo, una
válvula o un distribuidor de mando manual. En neumática un “enchufe
rápido” puede ser utilizado con el mismo fin que la toma de corriente en
electricidad para las máquinas de pequeña potencia.
Disipación de las energías:
La disipación de las energías acumuladas consiste fundamentalmente en
purgar los acumuladores hidráulicos, vaciar los depósitos de aire
comprimido (eventualmente las canalizaciones), descargar los
condensadores.
Es preciso igualmente tener en consideración:
-El desplazamiento posible por gravedad de ciertos elementos (energía
potencial ).
-La emisión de chorros de fluido bajo presión durante intervenciones
sobre los circuitos hidráulicos mantenidos en carga.
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-El contacto con piezas mantenidas bajo tensión a pesar del corte de
alimentación de energía eléctrica (protección en el caso de sistemas
electrónicos de mando por ejemplo).
Con el fin de prevenir estos riesgos hay que poner a disposición de los
trabajadores medios tales como:
-Puntuales suficientemente resistentes y correctamente dimensionados
para evitar por ejemplo la caída del carro de una prensa o el
mantenimiento bajo presión de una cámara de cilindro hidráulico.
-Ganchos y eslingas para mantener las cargas.
-Pantallas dispuestas localmente para evitar proyecciones de fluidos o
contactos con las partes mantenidas bajo tensión.
13- SEÑALIZACIÓN Y ADVERTENCIA.
En aquellos casos de equipos de trabajo en los que tras adaptarles
medidas de protección adecuadas persista un riesgo residual, éste
deberá estar adecuadamente señalizado, mediante indicativos
normalizados
14- INCENDIO
15- EXPLOSIÓN
Estos riesgos pueden ser derivados de las características de las materias
procesadas o del ambiente del entorno del equipo de trabajo.
En función de las mismas se deberán adoptar las medidas adecuadas.
Considerando que uno de los factores principales de estos riesgos es la
electricidad, deberá adecuarse el equipo eléctrico a las exigencias de la
reglamentación en lo referente a la protección a la protección contra
sobreintensidades y utilizar cuando sea necesario equipos eléctricos
específicos para uso en atmósferas explosivas.
Deberá tenerse en cuenta los problemas de la electricidad estática.
Las medidas de prevención podrían ser:
-Evacuar los productos peligrosos aspirándolos en su origen.
-Encerrar estos productos en un espacio cerrado en el que el riesgo de
elevación de temperatura o de producción de chispas no exista.
-Utilizar las técnicas de inactivado que consisten en modificar la
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composición de la atmósfera en la que se encuentra el producto para
impedir que se inflame.
-Colocar dispositivos de control que permitan mantener
automáticamente la atmósfera fuera del campo de inflamabilidad.
Cuando estos diferentes medios no pueden colocarse o no se consideren
suficientemente eficaces se puede recurrir a dispositivos de seguridad
automáticos mediante extintor o introducción masiva de un gas inerte.
16- RIESGO ELÉCTRICO
Todas las piezas de un equipo de trabajo bajo tensión deben estar
protegidas contra contactos directos.
La puesta a tierra de los materiales debe estar asegurada, salvo caso
particular (aparatos de doble aislamiento por ejemplo); los conductores
de protección deben presentar una buena continuidad eléctrica
(conductores no cortados y conexiones fiables) y llevar la doble
coloración verde-amarilla.
Los diferentes grupos de las máquinas deben estar conectados en
paralelo al conductor de protección y no en serie.
Una máquina o un equipo no debe poder ser objeto de un calentamiento
susceptible de provocar un incendio; los dispositivos de protección
contra sobreintensidades deben ser verificados, cambiados o
complementados de ser necesario.
El valor de la toma de tierra tiene que ser compatible con el umbral de
los dispositivos diferenciales existentes.
En el caso en el que dificultades técnicas o económicas impidan realizar
una toma de tierra eficaz, o si existe incertidumbre en cuanto a su valor,
es posible , y en ciertos casos obligatorios colocar
dispositivos diferenciales de alta sensibilidad.
17- RUIDOS, VIBRACIONES Y RADIACIONES
En principio en los equipos de trabajo en los cuales un análisis de riesgos
detecte la existencia de alguno de ellos, se efectuará una mediación, con
el fin de determinar su magnitud y de ahí, indicar las medidas
preventivas correspondientes, tales como:
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-Implantar apoyos antivibratorios.
-Sustituir las cadenas metálicas por correas trapezoidales
-Instalar amarres de tubería elásticos, en lugar de rígidos.
-Cerramientos de las fuentes sonoras mediante paneles aislantes.
-Instalar silenciadores en los escapes de las válvulas.
-Etc...
En el caso de radiaciones provenientes de los equipos de soldadura, es
conveniente el utilizar mamparas o pantallas movibles que protejan al
resto del personal de las radiaciones peligrosas.
18- LÍQUIDOS CORROSIVOS O A ALTA TEMPERATURA
Los equipos que manipulen o almacenen líquidos corrosivos es
conveniente que se encuentren ubicados en locales bien ventilados y
debidamente aislados, en los que se prevea la recogida y/o descarga de
fugas accidentales o existir medios de drenaje seguros que permitan su
vaciado controlado.
Deben estar provistos de bandejas colectoras en los puntos críticos y de
las correspondientes válvulas de alivio instaladas de forma que su
descarga no incida en la proximidad de los trabajadores expuestos.
En cuanto a los líquidos a alta temperatura, las paredes de los hornos o
equipos, así como las tuberías y demás equipos de trasiego estarán
adecuadamente refrigerados o apantallados siempre que no se puedan
alejar suficientemente los puestos de trabajo.
19- HERRAMIENTAS MANUALES
Deben de ser de diseño ergonómico y ajustadas al tipo de trabajo y al
riesgo existente en el mismo, por ejemplo: si se está trabajando en
instalaciones eléctricas, sus mangos, etc..., han de ser aislantes. Si se
utilizan en ambientes con riesgo de incendio o explosión, su manejo0 no
debe de producir chispas, etc.
Disposiciones específicas aplicables a las Máquinas-Herramienta.
Brochadoras de interiores
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Características:
Las brochadoras de interiores son máquinas de mecanizado por
arranque de viruta. Sirven para realizar en el interior de piezas, estrías de
piñones, ojales, caras planas, ranuras. La herramienta básica, la “brocha”
tiene una sección que se corresponde con la forma deseada. La brocha
es llevada a través de la pieza mediante la guía de tracción accionada por
un cilindro hidráulico.
Existen dos configuraciones de máquinas: de brocha vertical o de brocha
horizontal.
El brochado se efectúa bajo abundante riego de aceite de corte.
Para una sola forma puede ser necesario el pasar varias brochas.
Para las series importantes el trabajo es automatizado. El operario sólo
interviene en las fases de carga y descarga.
Para formas especiales o series limitadas, se trabaja manualmente. El
operario interviene en el curso de la operación de brochado.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general.
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
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Teniendo en cuenta la baja inercia de los elementos móviles, la parada
en el puesto de trabajo es prácticamente instantánea.
4 Proyección, caída de pieza
Realizar la manipulación de brochas pesadas con ayuda de medios de
elevación.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No procede
6 Medios de acceso y permanencia
Véase parte general
7 Estadillo, rotura
Véase parte general
8ª) Elementos móviles de transmisión
El sistema de empuje de la traviesa de tracción de la brocha debe
hacerse inaccesible mediante la colocación de un resguardo fijo.
8b) Elementos móviles de trabajo
Se debe instalar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de
Categoría 1 que impida el acceso a la brocha en curso de mecanizado,
provocando su apertura la interrupción del movimiento de la
herramienta.
9Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
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No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
CIZALLAS GUILLOTINA
Características:
Las cizallas guillotina son máquinas de corte rectilíneo de chapa o de
láminas de bajo espesor (máximo aproximado 12mm). Están destinadas
a piezas de grandes dimensiones.
La pieza es posicionada por uno o dos operarios bajo las cuchillas de la
cizalla y mantenida en su sitio mediante un pisador.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
No procede
4 Proyección, caída de pieza
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Para el manejo de piezas de grandes dimensiones, será preciso el uso de
mesas o soportes en la parte frontal de la máquina.
Si se utilizan en la parte trasera cunas para la evacuación de los recortes
será conveniente prever un sistema de retención de los mismos, de tal
manera que al amontonarse no constituyan un riesgo para los
trabajadores que los evacuen o se encuentren en las proximidades.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No precede
6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
Véase parte general
8b)Elementos móviles de trabajo
Véase parte general
8c) Dispositivos de protección
Parte frontal: La máquina debe disponer de un resguardo fijo debe
impedir el acceso al pisador permitiendo el paso del espesor máximo de
chapa admisible.
El resguardo será realizado de tal forma que se pueda ver bien la
posición de las cuchillas para los cortes de trazado.
Partes laterales: El acceso a la zona peligrosa en los costados de la
máquina, se impedirá con resguardos fijos que podrán desmontarse en
el caso de cizallar piezas de formas singulares.
Parte trasera: La colocación de un plano inclinado de una banda de
evacuación o de una cubeta para la recuperación de los cortes permite
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generalmente garantizar una distancia de seguridad en relación a la
cuchilla móvil. En el caso de no colocar ninguno de estos sistemas se
colocará un sistema de cierre perimetral con sistema de enclavamiento
de Categoría 1.
9 Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No Procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
CURVADORAS DE RODILLOS
Características
Las curvadoras a rodillos sirven para trabajar chapas con objeto de
obtener cilindros y conos por deformación. La operación se descompone
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en dos fases: El precurvado y el curvado, mandados manualmente.
El operario interviene a lo largo del ciclo de producción. Carga la chapa
en la máquina para el precurvado (inicio de la parte curva), asegura el
curvado (el paso de toda la chapa). Al final de la operación hace un
control dimensional y, eventualmente realiza un punto de soldadura para
mantener el contacto de la junta longitudinal. Tras la apertura del palier
móvil descarga la virola.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
El operario debe poder acceder a una parada de emergencia desde
cualquier posición de trabajo. Por lo tanto en las máquinas curvadoras
de pequeño tamaño, la parada de emergencia puede ser tipo “ seta” y en
las grandes será de tipo cable perimetral.
NOTA: Se considera de pequeño tamaño aquella que el operario puede
acceder a la parada con cualquiera de sus manos.
4 Proyección, caída de pieza
Véase punto 8
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No procede
6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
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No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
Véase parte general
8b) Elementos móviles de trabajo
El pupitre de mando ha de estar lejos de la zona de arrastres y
movimientos de la chapa.
Delimitar la zona de movimientos de la chapa mediante obstáculos
desplazables.
En caso de utilizar un pedal, éste deberá ser de tres posiciones.
9 Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
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ESMERIL
Características
Los esmeriles sirven para el afilado de las herramientas normales del
taller mecánico así como para el desbarbado de pequeñas piezas. Llevan
normalmente dos muelas o dos herramientas abrasivas fijadas en cada
extremidad del eje motor.
La pieza a amolar es sujeta con la mano apoyando sobre el soporte de
pieza.
8b) Elementos móviles de trabajo
La carcasa de protección deberá ofrecer en la parte de trabajo una
abertura inferior a 90º siendo el ángulo formado entre la horizontal y la
parte superior, inferior a 50º.
Si el diámetro de la muela es >=125mm, deberá tener un dispositivo que
permita el ajuste entre las muela y la carcasa a una distancia inferior a
5mm.
La distancia entre la muela y las partes laterales de la carcasa será
<=10mm.
Para máquinas dotadas de variador de velocidad y que puedan alcanzar
velocidades elevadas, se recomienda que interiormente a la carcasa
exista una capota que cierre la apertura de la carcasa en caso de rotura
de la muela.
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Esmerilado lateral:
La muela sólo será accesible en la parte próxima al diámetro.
En ambos casos deberá tener apoyapiezas.
9 Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
Véase parte general
NOTA: En caso de esmerillar piezas de material cuyo polvo presente
riesgo de incendio y explosión, se deberá tomar las medidas adecuadas.
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos, corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
FRESADORAS UNIVERSALES DE CONSOLA Y BANCADA FIJA
Características
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Las fresadoras universales de consola y bancada fija son máquinas de
mecanizado por arranque de viruta. Utilizan herramientas giratorias con
una o varias aristas de corte (fresas, brocas, brocas de mandrinar, etc.) y
trabajar en tres ejes.
Estas máquinas están provistas de un dispositivo de regado de líquido de
corte.
Pueden ser manejadas desde dos puestos: uno en la cara delantera y el
otro en el costado.
Se llaman universales ya que se pueden efectuar operaciones muy
variadas: refrentado de cabezas, rodante, mandrinado, perforado,
tallado, taladrado, trazado, ranurado, escariado, fresado.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Cada puesto de trabajo deberá disponer de un dispositivo de frenado.
3c) Parada de emergencia
Sólo tiene objeto en las máquinas que dispongan de un dispositivo de
frenado.
4 Proyección, caída de pieza
Se debe disponer de un resguardo móvil para evitar las proyecciones de
viruta y de líquido de corte. El operario podrá desplazarlo para adecuar la
protección a las piezas mecanizadas.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No procede
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6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
Véase parte general
8b) Elementos móviles de trabajo
Trabajo con piezas en serie: Colocar un dispositivo de protección
(resguardo móvil) para impedir el acceso a las herramientas en rotación y
para impedir las proyecciones de viruta y de líquido de corte. Solamente
podrán acceder a la máquina operarios cualificados.
Trabajo con piezas unitarias: Las operaciones de mecanizado, las
intervenciones manuales y los controles visuales son aquí frecuentes. La
protección que pueda colocarse será función del tipo de pieza a
mecanizar y de la fresa a utilizar. Solamente podrán acceder a la
máquina operarios cualificados.
9 Iluminación
Colocar un dispositivo de iluminación localizada
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Colocar indicaciones para el funcionamiento de la máquina – elección de
velocidad de corte en función del material – sobre el bastidor de la
máquina.
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
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No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
LIJADORAS DE BANDA
Características
Las lijadoras de banda sirven achaflanar o desbarbar pieza pequeñas
mediante una banda abrasiva sinfín que corre de adelante hacia atrás
sobre un plano de trabajo.
La pieza fija a lijar está colocada sobre el plano de trabajo y puesta en
contacto eventualmente con un tope móvil.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
No procede
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4 Proyección, caída de pieza
Los riesgos de proyección de abrasivos requieren llevar guantes y gafas
de protección.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos y polvos
Véase parte general
6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
La carcasa de protección deberá ser de suficiente resistencia para poder
retener la banda de material abrasivo en caso de rotura.
8ª) Elementos móviles de transmisión
Las poleas de transmisión deben estar provistas de una protección que
impida el acceso al punto de entrada entre la banda y la polea.
8b) Elementos móviles de trabajo
Todo el recorrido de la banda abrasiva estará protegido salvo la zona de
trabajo.
El tope de apoyo debe estar situado tan cerca como sea posible de la
banda abrasiva, para evitar que los dedos del operario sean atrapados.
9 Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede a no ser que el material a mecanizar desprenda polvo con
riesgo de incendio o explosión.
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16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
LIMADORA
Características
Las limadoras son máquinas de mecanizado por arranque de viruta que
sirven para la realización de superficies planas. Son máquinas con
movimiento lineal de herramientas y piezas.
La herramienta realiza un movimiento alternativo y la pieza puede
avanzar de forma automática o manual.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
No procede en limadoras que no dispongan de un sistema de frenado.
4 Proyección, caída de pieza
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Colocar un dispositivo de protección contra proyecciones en punto de
operación.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No procede
6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
Colocar un resguardo con un dispositivo de enclavamiento para cubrir la
excéntrica que acciona los avances automáticos.
8b) Elementos móviles de trabajo
Colocar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de
Categoría 1 en el punto de operación.
9 Iluminación
Véase parte general
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
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19 Herramientas manuales
No procede
MANDRINADORAS DE BANCADA EN CRUZ
Características
Las máquinas de mandrinar de bancada en cruz y eje horizontal son
máquinas de mecanizado por arranque de viruta para piezas
relativamente grandes. Utilizan herramientas giratorias de una o varias
aristas de corte (fresas, brocas, brocas de mandrinar, etc.) y trabajan en
tres ejes.
Estas máquinas disponen de un dispositivo de riego de líquido de corte
Están destinadas a realizar diferentes tipos de mecanizado sobre una
misma pieza; refrentado, mandrinado, taladrado, perforado punteado,
ranurado, escariado. Los cambios de herramienta son por lo tanto
frecuentes.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Cada puesto de trabajo deberá disponer de un dispositivo de parada
3c) Parada de emergencia
Sólo tiene objeto en las máquinas que dispongan de un dispositivo de
frenado.
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4 Proyección, caída de pieza
Debido a la diversidad de piezas y trabajos a realizar, no es posible
colocar un dispositivo de protección universal que permita evitar la
proyección de viruta y líquido de corte en el punto de operación. Por
tanto, sólo podrá trabajar personal cualificado y se deberá establecer la
obligatoriedad de utilizar equipos de protección individual (gafas de
seguridad).
5 Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos y polvos
No procede
6 Medios de acceso y permanencia
Véase parte general
7 Estallido, rotura
No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
Véase parte general
8b) Elementos móviles de trabajo
Debido a la diversidad de piezas y trabajos a realizar, no es posible
colocar un dispositivo de protección universal que permita evitar la
proyección de viruta y líquido de corte en el punto de operación. Por
tanto, sólo podrá trabajar personal cualificado y se deberá establecer la
obligatoriedad de utilizar equipos de protección individual (gafas de
seguridad).
NOTA: Sería recomendable la colocación de una protección periférica de
la zona de movilidad de la máquina, siempre que la misma no provoque
situaciones de riesgo.
9 Iluminación
Colocar un dispositivo de iluminación localizada
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
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12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Colocar indicaciones para el funcionamiento de la máquina – elección de
velocidad de corte en función del material – sobre el bastidor de la
máquina. Indicar también la obligatoriedad de usar equipos de
protección individual y ropa ajustada.
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
MANDRINADORAS DE COLUMNA MÓVIL
Características
Las mandrinadoras de columna móvil con brocha horizontal son
máquinas de mecanizado por arranque de viruta. Sirven para realizar
piezas unitarias de grandes dimensiones (4000 x 250 x 2000mm) con
operaciones múltiples y mandrinados que requieren gran precisión.
Las operaciones más normales son el punteado, el perforado, el
mandrinado, el refrentado.
Las mandrinadoras están provistas de avances automáticos de velocidad
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normal o rápida.
La utilización de la máquina requiere una regulación precisa. El operario
debe mantenerse próximo a la zona de mecanizado para controlar
visualmente el trabajo de la herramienta.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
Sólo tiene objeto en las máquinas que dispongan de un dispositivo de
frenado.
4 Proyección, caída de pieza
Debido a la diversidad de piezas y trabajos a realizar, no es posible
colocar un dispositivo de protección universal que permita evitar la
proyección de viruta y líquido de corte en el punto de operación. Por
tanto, sólo podrá trabajar personal cualificado y se deberá establecer la
obligatoriedad de utilizar equipos de protección individual (gafas de
seguridad)
5 Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
No procede
6 Medios de acceso y permanencia
Las plataformas de trabajo debes estar dotadas de barandillas, rodapiés
y enrejados adecuados para que el trabajo se realice de forma segura.
7 Estallido, rotura
No procede
8ª) Elementos móviles de transmisión
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Véase parte general
8b) Elementos móviles de trabajo
Debido a la diversidad de piezas y trabajos a realizar, no es posible
colocar un dispositivo de protección universal que permita evitar la
proyección de viruta y líquido de corte en el punto de operación. Por
tanto, sólo podrá trabajar personal cualificado y se deberá establecer la
obligatoriedad de utilizar equipos de protección individual (gafas de
seguridad).
Las zonas de atrapamiento generadas por los movimientos del conjunto
porta-herramientas deben eliminarse mediante dispositivos adecuados,
como por ejemplo fuelles.
NOTA: en máquinas de gran tamaño sería recomendable la colocación de
una protección periférica de la zona de movilidad de la máquina, siempre
que la misma no provoque situaciones de riesgo añadido.
9 Iluminación
Colocar un dispositivo de iluminación localizada
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
No procede
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Colocar indicaciones para el funcionamiento de la máquina – elección de
velocidad de corte en función del material – sobre el bastidor de la
máquina. Indicar también la obligatoriedad de usar equipos de
protección individual.
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
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Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
No procede
19 Herramientas manuales
No procede
MÁQUINAS DE ELECTROEROSIÓN
Características
El principio de funcionamiento de las máquinas de electroerosión es el
de producir un arco entre la herramienta y la pieza. Este arco produce el
arranque de material en la pieza.
En el caso de las máquinas de electroerosión por penetración, la
herramienta de corte es un electrodo con la forma del orificio que se
quiere obtener.
En el caso de las máquinas de electroerosión por hilo, la herramienta de
corte es un hilo el cual se encuentra enrollado en una bobina y pasa a
través de la máquina para acabar en un recipiente.
1 Órganos de accionamiento
Para los diferentes modos de funcionamiento deberá existir un selector
de modo de operación.
Modo de operación:
-En automático: Sólo se autoriza con los dispositivos de seguridad
activos.
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-En reglaje: Como norma general se deberá emplear un dispositivo de
mando sensitivo a velocidad reducida (10mm/s).
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte genera
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
La máquina debe disponer de un dispositivo de parada de emergencia en
el puesto de mando con Categoría de parada 0 ó 1.
4 Proyección, caída de pieza
En las máquinas que funciones con chorro, deberán disponer de un
dispositivo de protección contra proyecciones.
El dieléctrico en la zona de operación estará confinado en un cubeto de
dimensiones y resistencia adecuado a las características del dieléctrico y
de las piezas a mecanizar.
Los sistemas hidráulicos y neumáticos estarán protegidos.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
Las máquinas que funciones con dieléctrico, deberán estar dotadas de
sistemas de aspiración localizada, cuyo funcionamiento esté asociado al
mando.
6 Medios de acceso y permanencia
No procede
7 Estallido, rotura
Véase parte general
8ª) Elementos móviles de transmisión
Las máquinas de electroerosión por hilo deben disponer de resguardos
móviles con sistema de enclavamiento de Categoría 1 en las poleas que
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accionan el hilo.
8b) Elementos móviles de trabajo
Colocar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de
Categoría 1 en el punto de operación.
9 Iluminación
Colocar un dispositivo de iluminación complementaria.
10 Riesgo de quemadura
Véase parte genera
11 Dispositivos de alarma
Existirán dispositivos de alarma luminosos y acústicos, asociados al
sistema de detección automática de fuego.
12 Separación de energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
Estas máquinas estarán dotadas de los siguientes dispositivos de
detección.
-Detector de nivel y de temperatura de inflamabilidad del fluido
dieléctrico asociado al mando.
-Detector de incendios asociado al mando.
- Además de los extintores normales en las proximidades de la
máquina, se recomienta dotar a la máquina de un sistema de detección
automática.
16 Riesgo eléctrico
Contacto eléctrico directo con el electrodo o partes en tensión:
El máximo voltaje accesible que está permitido entre las partes de la
máquina, los electrodos – herramientas y la pieza de trabajo y/o la tierra
no debe exceder de 25 V en corriente alterna o de 60 V en corriente
continua.
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17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
El fluido dieléctrico tendrá un punto de inflamabilidad superior a 60º C.
Para garantizar que no se alcance esta temperatura el equipo deberá
disponer de un detector que detenga la operación en el caso de que el
dieléctrico alcance los 45º.
En el caso de que el punto de inflamabilidad del fluido dieléctrico sea
elevado y que la temperatura que se pueda alcanzar sea lejana, se podrá
prescindir del citado detector.
19 Herramientas manuales
No procede.
MÁQUINAS DE MECANIZADO CON CONTROL NUMÉRICO
Características
Las máquinas de mecanizado con control numérico realizan operaciones
de torneado, fresado, taladrado, mandrinado a partir de un sitema de
control electrónico: el control numérico.
Algunas máquinas están dedicadas a un tipo de mecanizado (fresado,
torneado) otras son polivalentes y realizan varios tipos de operaciones
sobre una misma pieza. Son los centros de mecanizado.
El operario efectúa la regulación de la máquina, vigila la realización de las
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piezas de forma automática según un programa preestablecido o
introduce los datos de mecanizado en el control numérico.
1 Órganos de accionamiento
Véase parte general
2 Acción voluntaria de puesta en marcha
Véase parte general
3ª) Parada general
Véase parte general
3b) Parada en el puesto de trabajo
Véase parte general
3c) Parada de emergencia
Colocar un dispositivo de parada de emergencia en cada puesto de
trabajo.
4 Proyección caída de pieza
Colocar dispositivos de protección (resguardos) para proteger al operario
contra la proyección de virutas y fluidos de corte.
5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos
Véase parte general
6 Medios de acceso y permanencia
Véase parte general
7 Estallido, rotura
Véase parte general
8ª) Elementos móviles de transmisión
Los cambiadores de herramientas han de hacerse inaccesibles mediante
resguardos fijos o resguardos móviles con enclavamiento de Categoría 1.
8b) Elementos móviles de trabajo
Ciclo automático:
Colocar dispositivos de protección que impidan el acceso a la zona de
mecanizado. Estos dispositivos estarán asociados a enclavamientos de
bloqueo de Categoría 1.
Reciclaje:
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Existirá un selector de modo de operación en posición de reglaje.
Este selector permitirá el movimiento de la máquina a velocidad lenta
mediante un mando sensitivo. Se entenderá velocidad lenta cuando no
se superan los 2m/min.
9 Iluminación
Colocar dispositivos de iluminación complementaria en la proximidad de
la zona de mecanizado para facilitar regulaciones. (que no creen efectos
estroboscópicos).
10 Riesgo de quemadura
No procede
11 Dispositivos de alarma
Véase parte general
12 Separación de las energías
Véase parte general
13 Señalización
Véase parte general
14, 15 Riesgo de incendio, explosión
No procede
16 Riesgo eléctrico
Véase parte general
17 Ruidos, vibraciones y radiaciones
Véase parte general
18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura
Véase parte general
19 Herramientas manuales
No procede.
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(2010, 09). Mecanizado Alta Velocidad. BuenasTareas.com. Recuperado 09,
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Velocidad/751495.html
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