L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © LA TECNOLOGÍA DE FRESADO A ALTA VELOCIDAD EN EL SECTOR DE AUTOMOCIÓN Año 2002 Por L. Norberto López de Lacalle del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco

y

Asun Rivero de Fundación Fatronik

Abstract (o resumen) Como ha ocurrido en otros sectores industriales el mecanizado a alta velocidad, y más concretamente el fresado a alta velocidad, se ha expandido con rapidez en la industria de automoción. Podríamos hablar de unos 7 años como los pasados desde que este tipo de mecanizado comenzó a generalizarse, aunque sus fundamentos datan de hace más de 50 años. La fabricación de moldes de inyección, estampas de forja, y matrices de embutición, por una parte, y el acabado de componentes de automoción obtenidos por fundición de hierro, aluminio o magnesio, son procesos que pueden realizarse a alta velocidad. Los autores analizan los principales factores a tener en cuenta para conseguir el máximo rendimiento de esta tecnología, abordando uno a uno los subsectores del mundo de la automoción que están demandando centros y soluciones de mecanizado de alta velocidad. En el artículo se presentan algunos ejemplos realizados por los centros de los autores que ayudan a entender las posibilidades y límites de esta técnica.

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © 1. Introducción Desde mediados de la década de los noventa la tecnología de fresado a alta velocidad (en inglés HSM, High Speed Machining) está siendo ampliamente demandada y rápidamente absorbida por diversos sectores industriales. Entre ellos destacan el sector aeronáutico, el de fabricación de bienes de equipo, y el sector de automoción. En este trabajo nos centraremos en la expansión de esta tecnología en este último. Si tuviésemos que hablar de qué es lo que ha provocado esta la minirevolución asociada al concepto de alta velocidad, tanto en las empresas usuarias del proceso de mecanizado como en el sector fabricante y suministrador de fresadoras y centros de mecanizado, se podrían identificar causas de muy diferente índole. En el ámbito general, lo que parece haber existido es un efecto recíproco entre el desarrollo del proceso de corte y el rendimiento de las máquinas herramienta. Expliquémoslo; en la década de los 90 se desarrollaron herramientas que permitieron elevar las condiciones de corte por encima de las que se consideraban como convencionales, tal es el caso de las herramientas de metal duro calidad sumicrograno recubiertas de TiAlN, o las herramientas de PCBN (Nitruro de Boro Cúbico Policristalino). Los recubrimientos basados en TiAlN poseen una elevada dureza, entre 3000 Hv0.05 (multicapa) y 3500 Hv0.05 (monocapa), y son estables hasta 800ºC. Con el uso de las nuevas herramientas las velocidades de corte pueden aumentar en 4 y 5 veces, tal como se observa en la figura 1. El aumento de la velocidad de corte obliga a que la máquina lleve instalado un husillo de alta velocidad (> 15000 rpm). Esta velocidad de rotación, junto a los avances por diente recomendados para las herramientas, obliga a que la máquina deba mantener avances de trabajo muy superiores a los habituales, esto es, mayores a 6 metros/minuto. Además el Control Numérico debe controlar con una precisión suficiente las trayectorias. Por tanto se necesita una máquina de muy elevadas prestaciones, que se denomina como de alta velocidad. La nueva necesidad y la creciente demanda industrial ha conducido a un rápido desarrollo de diversos aspectos de las máquinas, como son los electrohusillos, los accionamientos, las nuevas estructuras dotadas de mayor rigidez, etc. De esta forma han surgido máquinas de tecnología muy superior a las de tipo convencional. Así se abren nuevas posibilidades de aplicación y mejoras sustanciales sobre el proceso, tales como mayor estabilidad del corte, mayor precisión en los contorneados, posibilidad de mecanizado en 5 ejes simultáneamente, etc. En definitiva, si bien fue primero el huevo, las nuevas velocidades de corte posibles en el “proceso”, posteriormente fue la gallina, es decir la “fresadora de alta velocidad”, dotada de prestaciones muy superiores a las convencionales. Y a su vez, estas nuevas prestaciones permiten mayor rendimiento del proceso, abriendo nuevas perspectivas. Por tanto nos encontramos dentro de un proceso de mejora en espiral encaminado a buscar “soluciones globales de mecanizado” con mayor productividad y precisión, y por tanto capaces de generar mayor valor añadido al aplicador. Alguien podría preguntar, pues todavía no hay un único criterio general, qué se entiende por mecanizar a alta velocidad. Innumerables artículos hacen referencia a las históricas teorías sobre la disminución de las temperaturas en el corte a alta velocidad de Carl Salomón, que patentó el proceso en los años 20, o a los experimentos balísticos de Kronenberg en los 60, o a abstrusos temas relacionados con la formación de viruta en diferentes condiciones termofísicas dependientes de la magnitud de la velocidad de corte. Estas teorías son mayoritariamente ciertas aunque a veces su uso en artículos, debido a la necesidad de mantener un rigor académico, induce a confusión al lector. Por esto la definición de alta velocidad de mayor utilidad es: como hay herramientas que soportan hasta 5 veces la velocidad de corte, la máquina debe poseer un husillo capaz de alcanzar más de 15.000 rpm. Y con esta velocidad de giro, aún con moderados avances por diente, resultan avances de máquina superiores a los 5-6 metros/minuto. Las velocidades de corte de lo que hoy día se entiende por alta velocidad se reflejan en la figura 1. Como se puede observar existe una zona (marcada en rojo) donde la máquina a utilizar es de alta velocidad, que hoy día coincide con la oferta industrial de este tipo de máquinas. Otra zona (en azul) requiere una máquina de ultra-alta velocidad, que hoy día está en fase de prototipos.

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Figura 1: Rango de altas velocidades en el corte de diferentes materiales, según Schulz (1).

En el caso de los aceros, fundiciones ,aleaciones de difícil mecanizado, titanio, etc, aún siendo las velocidades de corte mayores a las convencionales, no existe gran variación de los mecanismos intrínsecos (viscoplásticos, térmicos, etc) asociados a la formación de la viruta, así en estos mecanizados estaríamos hablando de la zona A de la figura 1. Solamente en el caso de aleaciones ligeras de fácil mecanizado, esto es de magnesio o aluminio, se podría pensar en que el proceso de formación de viruta es diferente al correspondiente a velocidades convencionales. Pero para que ello sea un hecho evidente las velocidades de corte deben ser mucho más elevadas a las que hoy día se aplican en los procesos industriales HSM (deben alcanzarse más de 4000 m/min de velocidad de corte). Un aspecto importante para entender la rápida extensión en el ámbito industrial de esta tecnología ha sido su rápida entrada en el mundo del molde. En este sector el tamaño de empresa es pequeño/medio y por tanto el número de usuarios potencial muy elevado. Seguramente si la alta velocidad hubiese seguido estando restringida al elitista sector aeronáutico, con pocas grandes empresas y con cadenas de proveedores muy estables, no estaríamos hablando en este artículo de la generalización de esta técnica. Ya hablando del sector de automoción, existen varios subsectores donde el fresado a alta velocidad ha penetrado con fuerza, a saber: • Construcción de matrices de estampación: El HSM en el superacabado de matrices persigue un

fin concreto, esto es, la reducción de la rugosidad máxima de superficies a valores del orden de 10 micras o inferiores. Dado que las velocidades de avance pueden llegar a ser de 5 a 10 veces superiores a la convencional se brinda la posibilidad de aumentar en igual medida el número de pasadas para un mismo tiempo de acabado. El resultado es una superficie de mayor calidad, reduciendo trabajos manuales de pulido posteriores, el cual puede suponer cerca del 30% del proceso total de fabricación de un molde.

• Fabricación de matrices de forja y recuperación de las mismas: En este sector se ha venido

utilizando tradicionalmente la electroerosión de penetración. Sin embargo la simplicidad de las cavidades y las reducidas tolerancia y rugosidad a alcanzar han hecho de esta una de las aplicaciones estrella del fresado a alta velocidad. En los últimos cinco años se ha producido una verdadera migración de la electroerosión al HSM. En este sector los tiempos de desarrollo de nuevas series son críticos dada la elevada competencia, siendo por tanto los reducidos tiempos de proceso del HSM otro factor de importancia.

Máquinas de ultra alta velocidad

A

Máquinas de alta velocidad

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © • Fabricación de moldes de inyección de plástico o de aluminio. En algunas referencias se señala

que mediante el uso del fresado a alta velocidad los ahorros en tiempo y coste pueden ser superiores al 20%, llegando incluso al 50% en función del tipo y tamaño del molde a fabricar. Las cifras varían entre fuentes, pero es indudable que todos los usuarios apuntan a la consecución de importantes ahorros de tiempo, si se compara con la aplicación electroerosión con penetración(SEDM). Los fabricantes de moldes europeos, japoneses y americanos sitúan esta tecnología como uno de sus principales puntos de interés, siendo un 25% los encuestados que le otorgan una gran importancia, y un 35% los que inciden sobre la enorme importancia de la programación en CAM, muy relacionada con el HSM. En España el 40% de los moldistas ya disponen de máquina HSM.

• Fabricación de componentes de automoción, concretamente partes del bloque motor o del sistema de trasmisión. En este caso se parte de una pieza obtenida por fundición de hierro, de aluminio o de magnesio, con una forma muy cercana a la final. El tipo de mecanizado a realizar suele ser simple, es decir, fresados de caras, taladrados, roscados, y en menor medida contorneados. El concepto de alta velocidad se aplica en centros de mecanizado con husillo horizontal. Para aumentar la productividad no solamente se dota a la máquina de un husillo de elevada velocidad y potencia, sino también de cambios muy rápidos de herramienta, movimientos en vacío muy rápidos, elevada precisión de posicionamiento, y posibilidad de cambios rápidos de palets. Se están comenzando a utilizar con enorme interés los motores lineales, y se tiende a rediseñar unos electrohusillos de mayor fiabilidad. La necesidad de trabajo desatendido en líneas automatizadas requiere mayores niveles de monitorización en los centros de mecanizado.

En la EMO 2001 celebrada en Hannover en Septiembre del 2001, se pudo constatar una amplia oferta de centros de mecanizado con unas especiales características para los subsectores arriba mencionados. Los centros HSM son ya una realidad industrial, con fabricantes de máquina herramienta que claramente han apostado por esta tecnología respecto a la convencional. Los prototipos de hace 10 años han dado lugar a máquinas con una fiabilidad casi similar a las de tipo convencional y con un rendimiento muy superior. Sin embargo su mayor coste las hace especialmente interesantes para aquellas aplicaciones donde el valor añadido de las piezas es muy elevado (moldes y matrices), o se requieren altos ratios de productividad (componentes). Como datos que corroboran la creciente importancia de esta tecnología podemos citar el informe realizado por el Observatorio de Prospectiva Tecnológica Industrial del Ministerio de Ciencia y Tecnología de España tras consulta a un nutrido panel de expertos y usuarios. En éste se recoge con un máximo índice de importancia y con un horizonte a muy corto plazo (2001-2005) la idea de que “el mecanizado a alta velocidad evolucionará incrementado la velocidad de corte y los avances de la máquina herramienta”, y con los mismos índices “que se diseñarán nuevas herramientas dotadas de nuevos recubrimientos”. Estos datos corroboran los obtenidos tras una encuesta realizada (2) en Alemania, Japón, y USA en un estudio conjunto del Institute of Industrial Science de Tokio, el Engineering Research Center of Net Shape Manufacturing de Columbus-Ohio y el Institut für Fertigungstechnik und Spanenende Werkzeugmaschinen de Hannover a diversas empresas de la industria del molde, que en 1995 ya situaban a esta tecnología con un 22-25% de máxima importancia a corto plazo. Estas expectativas parece que se han ido cumpliendo a fecha 2002.

2. Matriceria Como se ha indicado en la introducción, en el sector de fabricación de troqueles de estampación la técnica HSM se aplica en el acabado, con objeto de conseguir un nivel de acabado final de la matriz o embutidor que reduzca la necesidad de posteriores trabajos en bancada (pulidos). Hay incluso empresas que fabrican troqueles para su propio uso interno que eliminan totalmente el pulido manual. Podríamos pensar que quizás cambien en el futuro próximo las relaciones cliente-proovedor ya que se demuestra que la calidad conseguida por HSM es suficientemente buena y el coste es menor. Las empresas optan por máquinas dotadas de cabezales con dos grados de libertad de giro adicionales, con objeto de orientar la herramienta en su posición óptima respecto a la pieza a mecanizar, en un mecanizado multieje denominado 3+2. Una solución que se está generalizando es utilizar máquinas con cambio automático de cabezal, con uno de tipo convencional (hasta 5.000 rpm) para las operaciones de

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Ra=1.02

desbaste, y acoplando automáticamente un electrohusillo de alta velocidad (20.000 rpm) para los superacabados. En cuanto a la viabilidad tecnológica del fresado a alta velocidad, está fuera de toda duda. Como ejemplo se muestra su aplicación al fresado de una pieza de prueba, una de las de más complicadas geométricamente, realizada en GGG70 y mostrada en la figura 2. Se puede indicar que la calidad final de la pieza-prueba, tanto en precisión dimensional como en rugosidad media es muy elevada, muy superior a lo exigible.

Figura 2 : Pieza tipo del sector de embutición realizada en la universidad del País Vasco. Izquierda condiciones de mecanizado y rugosidad obtenida. Derecha, errores dimensionales. La pieza es diseño de

Matrici S.Coop.

En este sector industrial existen algunos aspectos de índole operativo que influyen en la selección de herramientas y parámetros de corte. Debe pensarse que debido al gran valor añadido de la matriz mecanizada el coste de herramienta no

repercute excesivamente en el producto final, pero sí el tiempo de mecanizado y la calidad final conseguida.

Los usuarios buscan que la herramienta no tenga que ser cambiada durante la operación de acabado

de cada matriz, para que no aparezcan marcas en las piezas debidas a los diferentes reglajes. La idea es que una matriz se acabará con una única herramienta de acabado. Además se intenta que se acabe simultáneamente una matriz compuesta de fundición e insertos de acero templado.

En muchas ocasiones el mecanizado se prolonga durante varias horas, por lo que el mecanizado se

debe realizar de forma desatendida. Por este motivo muchos usuarios prefieren utilizar herramientas más fiables aunque de menor duración, las de metal duro recubiertas de TiCN o TiAlN, a las de materiales muy duros pero frágiles, como el Nitruro de Boro Cúbico Policristalino (PCBN). En este último caso una demasía de material incontrolada, o un exceso de material no eliminado en operaciones anteriores, puede conducir a una rotura catastrófica de herramienta de consecuencias imprevisibles para la matriz mecanizada. Por este motivo, aunque el CBN se ha demostrado como muy apto para las fundiciones, los matriceros se han mostrado a fecha de hoy remisos a su uso.

El reto tecnológico a corto plazo se centra en incrementar el uso de herramientas de PCBN, dada su enorme resistencia al desgaste. El CBN es un material sintético que sigue al diamante en dureza. Se fabrica por sinterizado en dos etapas a temperaturas de 1000º C y presiones de 7 a 9 Gpa. Los granos del CBN utilizados en las herramientas de corte tienen un diámetro de 0.5 µm a 3 µm y se encuentran unidos por una sustancia aglutinante de tipo metálico (Ni/Co) o cerámico de tipo TiN. Según la aplicación final de las mismas, el contenido de granos de CBN puede variar del 40% al 90%. Las calidades recomendadas para el fresado de fundición son las correspondientes a una alta proporción de CBN con aglomerante metálico de cobalto; en acabado también pueden utilizarse herramientas de baja proporción y

Ra=0.89

Ra=1.24 Ra=0.80 Ra=0.82

Hta. ∅12mm metal duro K10 recubierta de TiAlN Vc = 283 – 905 m/min n = 24000 rpm fz = 0.0625 mm/diente Vf = 3000 mm/min ap = 0.3 mm ae = 0.17 mm

0.6 mm

0.03 mm -0.13 mm

-0.5 mm

-0.6 mm

0.23 mm

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © conglomerante cerámico. Para conseguir una aplicación exitosa de estas herramientas concurren una serie de factores que se resumen en la tabla 1.

Probabilidad de éxito del FAV con herramientas de CBN Factores

Alta Media Baja

Material Cantidad de ferrita libre menor al 5% → Cantidad de ferrita

libre mayor al 10%

Revoluciones del husillo

Máquina de alta velocidad →

Máquina de velocidades

convencionales Máquina Grados de

libertad 5 grados de libertad

simultáneos → 3 + 2 grados

de libertad → 3 grados de libertad

simultáneos

Refrigeración seco → micropulverización de aceite → taladrina

Trayectoria continua → interrumpida

Estrategia

herramienta inclinada en sentido paralelo al

avance y corte ascendente en concordancia.

→ corte con la punta de la herramienta

Prog.CAD/CAM CNC depurado y

optimizado → CNC sin depurar ni optimizar

Proceso

Simulación y optimización

virtual

control de avance para una sección de

viruta constante → avance

escalonado

Geometría grandes superficies de baja complejidad →

pequeñas superficies de gran

complejidad y cavidades

Tabla 1: Factores a considerar en el FAV con herramientas de CBN en moldes y matrices.

Así, en líneas generales se debe evitar que la ferrita libre en la fundición sea mayor del 5%, dado que es muy reactiva con el PCBN. La velocidad de corte del PCBN sobre fundición es de unos 600-800 m/min. Estas velocidades implican de forma necesaria el uso de una fresadora de alta velocidad, preferentemente de 5 ejes para poder atacar la pieza siempre con un ángulo de inclinación (tilt) entre superficie y eje de herramienta de 12-20º. El PCBN exige mecanizado en seco ya que con las sales presentes en la taladrina éste puede descomponerse en ácido bórico. Por último los programas de CN deben depurarse totalmente, con objeto de evitar el mecanizado de creces de material no controladas. Con objeto de determinar las mejores condiciones de aplicación de estas herramientas se realizaron una serie de ensayos en los laboratorios del taller de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco, con los siguientes datos: sobre la misma figura mostrada en 2 la operación de semiacabado fue realizada en diagonal, dejando una demasía de 0,2 mm. Con el fin de evitar un cruce con las pasadas del semiacabado, lo que llevaría a mayores fluctuaciones en las fuerzas de corte, el superacabado se realizó en la misma dirección. Los parámetros empleados fueron: ap (profundidad de corte) 0.2 mm, ae (paso) 0.2 mm, diámetro de herramienta 12 mm, vf (velocidad de avance) 6000 mm/min, n (revoluciones del husillo) 21000 rpm. Con estos parámetros el tiempo de mecanizado fue 38 minutos, tres veces inferior que en el caso de utilizar una herramienta de metal duro con TiAlN o TiCN. Estos datos se corroboraron con las experiencias de un fabricante del sector. En la figura 3 se resumen los desgastes, generalmente en la punta de la herramienta, el tiempo de mecanizado, y las condiciones utilizadas. Se puede observar las elevadas duraciones de herramienta, aunque una de ellas, la tercera, disminuye drásticamente. La razón es que el tipo de CBN en este caso no era similar a los anteriores, con

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © una calidad (número de cristales de CBN, tamaño de los mismos, y sustrato conglomerante) no adecuados para la fundición.

Condiciones de corte

Herramienta Vida útil

Desgaste del filo

Plaquita nº1

imagen A

38 hs.

imagen A

Plaquita nº2

imagen B

35 hs.

imagen B

∅ 16mm ap: 0,2 mm ae: 0,32 mm rpm: 20.000 vf: 10 m/min

en fundición

GG25

Plaquita nº3

imagen C

12 hs.

imagen C

Figura 3: Resultado de las herramientas de PCBN en un fabricante de matrices.

3. Moldes de inyección de plástico y aluminio Los moldes de inyección tanto de plástico como de aluminio se caracterizan por una geometría superficial muy compleja, que se mecaniza sobre a aceros tratados a durezas superiores a 30 HRC, e incluso templados a más de 50HRC. La actuales herramientas de metal duro con TiAlN son capaces de fresar aceros de más de 50 HRC a velocidades de 300 m/min, lo que era impensable hace 10 años. En un molde la operación típica a realizar es el acabado, donde se elimina una demasía de 0.2 ó 0.3 mm. Debido a la compleja geometría se utilizan fresas esféricas cuyo diámetro no suele superar los 20 mm. Si se tiene en mente que las pendientes de las formas a generar varían entre 0 y 90º de inclinación, surge que una velocidad de corte efectiva de 300 o 400 m/min requiere unas revoluciones del cabezal que sobrepasan las 15.000 r.p.m. A fecha de hoy, los husillos de alta velocidad utilizados en las máquinas de alta velocidad orientadas al molde suelen encontrarse en un rango de velocidades máximas de 20.000 o 25.000 rpm, con potencias de 14 a 20 KW, y tecnología basada en rodamientos de bolas cerámicas. Hasta la aparición del fresado a alta velocidad la tecnología a aplicar en la fabricación de moldes era el fresado a velocidades convencionales (menos de 10 m/min) y la lenta electroerosión (EDM). En la figura 1 se muestran los tres enfoques posibles en la fabricación de un molde: a)los procesos tradicionales antes

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © de la entrada en escena de la alta velocidad, b) el usual aplicando alta velocidad de finales de los años 90, y c) el nuevo proceso a realizar a partir del 2001.

Figura 4: Procesos aplicados en la fabricación de moldes. Enfoque antes del HSM y hoy día (2002).

El fresado convencional (d1,e1) solo es aplicable directamente a moldes realizados en aceros de pequeña dureza o en aluminio. En este caso la etapa de acabado requiere de largos tiempos de mecanizado dado el pequeño avance de las máquinas. La técnica de electroerosión (g1) es aplicable a moldes de mucha mayor dureza. En este caso el electrodo es mecanizado en grafito (f1), pudiéndose utilizar para ello máquinas de alta velocidad. Este electrodo es empleado para el acabado de la pieza hasta su cota final. Con objeto de mejorar el acabado superficial se puede emplear el movimiento orbital del electrodo. El acabado superficial conseguido es muy bueno, siendo la precisión del molde directamente dependiente de la del electrodo empleado. Desde 1997 a 1999 el esquema de trabajo planteaba desbastar (d2) y semiacabar (e2) en máquinas convencionales. Tras estas operaciones se realizaba el tratamiento térmico y se procedía a acabar a alta velocidad (f2). Las razones son dos: - La operación de desbaste, con pocos requisitos en cuanto a precisión, se realiza en una máquina de

coste por hora menor a la de alta velocidad, incluso 5 veces menor. Además, el consumo de herramientas en el desbaste es pequeño debido a la baja dureza del material.

- Los husillos de las máquina de la alta velocidad más usuales a finales de los 90 no suministraban un par de arranque adecuado a velocidades menores a 1500 rpm, siendo inviable el desbaste por embotamiento del cabezal.

Desbaste a al ta velocidad (d3)

Semiacabado a lata velocidad (e3)

Acabado a alta velocidad (f3)

Pulido manual (h)

Fresado de desbaste convencional (d2)

Fresado de semiacabado convencional (e2)

Acabado por fresado a alta velocidad (f2)

Fresado de desbaste convencional (d1)

Fresado de semiacabado convencional (e1)

Mecanizado de los electrodos (f1)

Acabado por electroerosión (g1)

A Antes de 1998 B Enfoque 2000 C Enfoque 2001

Diseño del molde (a)

Preparación del bloque (b) CAM programación CNC (c)

TRATAMIENTO TÉRMICO TRATAMIENTO TÉRMICO

TRATAMIENTO TÉRMICO

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © En el año 2000 las mejoras incorporadas en los electrohusillos conducen a que éstos puedan suministrar un par de corte adecuado incluso a bajas revoluciones (incluso menores a 1500 rpm). Por consiguiente el desbaste se hace posible en las máquinas de alta velocidad, trabajando en este caso de forma similar a una máquina convencional. Así, se parte de un bloque de acero ya tratado a su dureza final, realizando todas las operaciones en una misma máquina (d3,e3,f3) . El mayor beneficio así conseguido es la reducción del tiempo de lanzamiento de un molde, dado que se eliminan los largos tiempos de setup y la inexacta puesta a cero entre operaciones. Hoy día además se disponen de husillos con acoplamiento directo al motor hasta una gama de 12000 rpm, lo cual puede ser suficiente y más barato. Hoy día la elección de realizar o no el desbaste en la misma máquina HSM que el acabado se basa en criterios económicos y de tiempos de proceso. Por una parte debe evaluarse que esta operación de bajo valor añadido se realiza en una máquina mucho más costosa, y con un coste en herramientas mayor. Por el contrario, se eliminan tiempos muertos y se reduce el tiempo de lanzamiento del molde, lo que puede ser crítico para la empresa.

Figura 5 : Molde de inyección de plástico semejante al frontal de un conocido automóvil. A modo de prueba se ha mecanizado con HSM la mitad del mismo. Se indican tiempos de operación y parámetros de

mecanizado. Se ha mecanizado en un centro Goratu HPC1100. Como resultado de los ensayos realizados en la Universidad del País Vasco en colaboración con Fatronik (unos 20 moldes) y por otras empresas asociadas podemos concluir a modo general: - si la eliminación de material rebasa 7000 cc, el tiempo del desbaste a alta velocidad puede llegar a ser

excesivo, implicando costes elevados de máquina y de herramientas. Por tanto se aplicará el esquema de la figura 4-B.

- si el volumen de material es inferior a 1250 cc, realizar el desbaste en la misma máquina de alta velocidad permite conseguir moldes completos en menos de 150 minutos en una sola fijación.

Resultados Tiempo de desbaste: 643 min Tiempo de acabado: 166 min Rugosidad acabado (Ra): 0.6 µm

Material: Thyroplast® 2738 Denominación DIN: 40 CrMnNiMo8 Dureza: 32 HRc Dimensiones de partida: 220x55x55 mm

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © Como muestra de la extensión de la tecnología HSM en este sector, en dos empresas asociadas a la inyección de piezas para el sector del automóvil se han adquirido en solamente 4 años 4 y 5 máquinas de alta velocidad en los últimos 5 años. 3.1 Alta velocidad y electroerosión Con el objeto de comparar los tiempos de mecanizado HSM y los obtenidos por aplicación de la electroerosión se ha fabricado un mismo molde mediante las dos tecnologías. Concretamente se trata de una parte de un carro de inyección de aluminio de una tapa de caja de cambios, mostrada en la figura 6. Esta pieza se ha elegido por su elevada complejidad geométrica, necesitando el uso de herramientas muy largas y de pequeño diámetro, lo que la sitúa en la frontera tecnológica de la alta velocidad. El acero base posee una dureza final de 44 HRC. El procedimiento aplicado en HSM es el de la figura 4B, se desbasta en una máquina convencional en forma recocida (a 250HBN) y luego se acaba en alta velocidad. Las condiciones finales del acabado deben ser: rugosidad máxima Ra:1’6 micras; la tolerancia oscila entre una centésima en zonas de ajuste y una décima en zonas de la huella.

Figura 6: Resultados del estudio de comparación de costes y tiempos entre el proceso con acabado a alta velocidad (HSM) y el acabado con electroerosión (EDM) de una parte de un carro de molde de inyección

de aluminio. Mecanizado HSM realizado en la Universidad del País Vasco en colaboración con la Universidad de Modragón.

En la figura 6 se observan las dos piezas y la comparación de costes y tiempos. De los datos mostrados se deducen los siguientes hechos: - Se han requerido herramientas fabricadas a medida, tanto para el mecanizado del electrodo como

para el acabado por alta velocidad, debido a los pequeños diámetros, tanto de la pieza como del electrodo.

- El fresado a alta velocidad es capaz de mecanizar la pieza en su totalidad. Sin embargo en algunos puntos han aparecido vibraciones de la herramienta, por lo que se ha debido pulir finalmente a mano.

C O S T E S ( E U R O S )

02 0 0

4 0 06 0 08 0 0

1 , 0 0 01 , 2 0 01 , 4 0 0

1 , 6 0 01 , 8 0 0

H S M E D M

o t r o s

m a t e r ia le s

a c a b a d o

d e s b a s t e

h t a s

C A M

(HSM)

(EDM)

Time HSM EDM CAM 400 150 horas

Desbaste 802 802 Minutos Acabado 1,174 2,280 Minutos Sep up 30 702 Minutos Otros 120 150 Minutos

Electrodo

1,420 Minutos

Total 26,126 14,354 Minutos

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © - El balance en tiempos y costes es favorable al fresado a alta velocidad. En tiempos la reducción es de

un 110 % y en costes un 50 %. El mayor tiempo en EDM es principalmente debido a dos factores: el mecanizado del electrodo y el tiempo de acabado final. En costes la reducción es menor debido al mayor coste horario de la máquina HSM (5 veces mayor).

- La etapa de CAM se incrementa en un 10% en HSM respecto a EDM, dado que la elaboración de los programas ha sido más cuidadosa y además se han simulado con Vericut© antes de su ejecución.

Pese a los buenos resultados del HSM se debe reconocer que en zonas muy profundas y con radios de acuerdo muy reducidos seguirá necesitándose la EDM, imagínese el caso de un molde de un salpicadero. En definitiva, el futuro pasa por la coexistencia y coordinación de ambas tecnologías con objeto de aumentar la calidad de los moldes. Así lo están comprobando los moldistas y se está corroborando en diferentes foros (3). 4. Estampas de forja El sector de las estampas de forja es especialmente interesante para la alta velocidad. En él se necesitan mínimos tiempos de desarrollo de las estampas, debido a la enorme competencia en el mercado de la forja. Además, los requisitos en cuanto a precisión y rugosidad no son elevados, implicando pasos entre pasadas de 0.2 mm por término medio. Los aceros empleados son de tipo tratado, con durezas alrededor de 35-45 HRC. Una pieza característica de este sector es la de la figura 7, concretamente un soporte de suspensión de automóvil, en acero a 40 HRC. La razón de haber seleccionado esta pieza es la existencia de pequeños radios de acuerdo de 1 mm en sus zonas más profundas, lo que puede considerase como caso límite en este sector. Es decir, si se puede tratar con HSM la mayoría de las estampas serán susceptibles de ser mecanizadas con esta técnica. Esta pieza es un claro ejemplo donde el desbaste y acabado en la misma fijación es adecuado, tardándose menos de 210 minutos desde el bloque inicial templado. Las operaciones con herramientas de menos de 2 mm consumen el 30% de este tiempo, lo que no ocurrirá en casos más simples y comunes. Los resultados obtenidos en cuanto a rugosidad y precisión son mejores a los necesarios para este tipo de estampas. En este sector es donde la tecnología de electroerosión está perdiendo más cuota de mercado, dado los reducidos requerimientos de precisión y rugosidad.

Material: F528 Denominación DIN: 56NiCrMoV7 Dureza: 45 HRc Dimensiones de partida:120x130x40 mm

Resultados Tiempo de desbaste: 124 min Tiempo de acabado: 82 min Rugosidad acabado (Ra): 0.2 µm

OPERACIÓN N (rpm) F(mm/min) ap (mm) ae (mm) HERRAMIENTA Desbaste 8.900 2.000 0,5 1 Frontal 6mm Desbaste 18.000 2.000 0,5 0,9 Esférica 6 mm Desbaste 18.000 1.400 0,3 0,3 Esférica 3 mm Bitangencia desbaste 18.000 1.400 0,2 0,3 Esférica 3 mm Bitangencia desbaste 18.000 900 0,5 0,3 Esférica 2 mm Semiacabado 18.000 1.400 0,2 0,3 Esférica 3 mm Semiacabado 18.000 1.600 0,2 0,6 Esférica 4 mm Bitangencia Semiacabado 18.000 900 0,2 0,3 Esférica 2mm Acabado 18.000 1.100 0,3 0,17 Esférica 2 mm Bitangencia Acabado 18.000 1.100 0,3 0,17 Esférica 2 mm Acabado 18.000 1.400 0,3 0,17 Esférica 3 mm

120 mm

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Figura 7: Estampa de forja de una suspensión. Se indican tiempos de operación y parámetros de mecanizado. La máquina utilizada es una Goratu HPC 1100.

4. Componentes de automoción Este sector, como tantos otros, subcontrata cada vez más el mecanizado de piezas y lo hace a varios mecanizadores por pieza, con el fin de tener garantizado el suministro de pieza. Esto hace que los lotes, antes muy grandes, se conviertan en lotes de tamaño pequeño-medio para cuyo mecanizado no se justifiquen las líneas transfer debido a que los lotes pequeños no garantizan el retorno de la inversión. Los modelos en el automóvil tienen en la actualidad menor tiempo de vida que años atrás, el tiempo de maduración de nuevos modelos y de lanzamiento se ha reducido, por lo que el tiempo de vigencia para una línea transfer se ha acortado. Por este motivo ha crecido la demanda de centros de alta velocidad. En la fabricación de piezas del motor del automóvil y de los sistemas de transmisión de movimiento, esto es, bloques motor, cajas de cambio, etc, se pueden distinguir tres subgrupos de aplicación de la alta velocidad. Así:

- Los componentes fabricados en fundición de hierro, generalmente laminar gris tipo GG25 o similar. El elemento de mayor importancia es el bloque motor dado su gran valor añadido.

- Los componentes fabricados en aluminio, generalmente elementos de protección y carcasas, como las que cubren algunas cajas de cambio. Estos elementos están fabricados en aleaciones de aluminio-silicio.

- Los nuevos componentes realizados en aleación de magnesio, generalmente en la AZ81. En todos los casos se debe reseñar la necesidad de conseguir una elevada productividad. Su proceso de mecanizado se caracteriza por tres aspectos:

- Las piezas a mecanizar son de tipo “near to net shape”, procedentes de fundición. Solamente se hace necesario el mecanizado de caras de apoyo y de unión, taladros, mandrinados y roscados, con pocas operaciones de contorneado.

- La duración de las herramientas debe ser maximizada con objeto de no incrementar los costes, ni necesitar parar la producción para el cambio de útil. La fiabilidad del proceso debe maximizarse, de tal forma que a veces se eligen herramientas con menor capacidad de corte pero con mayor fiabilidad.

- Los centros HSM deben ir dotados de unas características y sistemas auxiliares (cambios de herramienta, de palets) que les permita ser competitivos respecto a las máquinas transfer, o estar pensados para ser integrados en líneas muy automatizadas.

Aquí el centro de mecanizado HSM es el de tres ejes con husillo horizontal; los husillos a montar son de elevada potencia (mayor a 25 Kw) para mover platos de gran diámetro, y velocidades superiores a las 20.000 r.p.m.. Suelen estar dotados de sistemas de cambio de palet, de tal forma que su integración en su sistema de transferencia sea muy sencilla. En algunas ocasiones es de interés dotarle de un eje de giro adicional (suele ser el eje B) para mecanizar en las 4 caras del cubo que circunscribe a la pieza. En los últimos dos años se han desarrollado módulos denominados de tipo ágil, como el de la figura 8 desarrollado por Fundación Fatronik. En este caso los tres ejes XYZ están dotados de motores lineales lo que conduce a aceleraciones superiores a 1.5 G y velocidades en vacío mayores a 120 m/min. La máquina va dotada de cambiador de herramientas ultrarrápido, con tiempos de cambio de herramienta inferiores a 4 segundos. Además su estructura compacta le hace especialmente integrable en líneas de producción automatizada. Estos centros pueden sustituir con éxito a las estaciones transfer dotadas de multihusillos, con mucho mayor versatilidad debido a su control por un CNC

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Figura 8: Centro AGIL desarrollado por Fatronik(4).

La alta dinámica de estas máquinas, ha permitido sustituir operaciones de mandrinado por fresado por interpolación circular o helicoidal, reduciendo no sólo los tiempos de mecanizado, sino los tiempos auxiliares dedicados a los cambios de herramienta, dentro de una misma pieza ya que es posible mecanizar agujeros de distintos diámetros con la misma herramienta, reduciendo así el número de cambios de herramienta. En el centro ágil anterior, se ha mecanizado mediante interpolación circular, utilizando una fresa de metal duro recubierta de TiAlN, alojamientos de diámetros comprendidos entre 20 y 50 mm., a velocidades de avance de trabajo de 6 m/min, obteniéndose tolerancias H7, cilindricidad de 6 micras y calidades superficiales de lapeado, en torno a 0,2 Ra. Finalmente la realización de operaciones de roscado mediante fresa por interpolación permite aumentar la productividad en al menos cinco veces con respecto a otras operaciones de roscado. En el mismo módulo ágil de la figura se realizó una operación de roscado con fresa por interpolación. Se mecanizado una rosca de métrica 10 a un avance de trabajo de 4903 mm/min. y a una velocidad de corte de 400 m/min. El mismo roscado por laminación se habría realizado a una velocidad de corte entre 40 – 50 m/min, si la operación hubiera sido un roscado por macho la velocidad de corte empleada habría sido de 60 – 120 m/min. Es apreciable la disminución de los tiempos de proceso conseguida. Los centros de última generación inspirados en este mismo concepto son los basados en cinemática paralela, y dotados de motores lineales, como el Urane (5) en su variante SX, que consigue aceleraciones de 3.5 G (5 G posibles) y velocidades de 100 m/min, dotados de husillo de 15Kw y 40.000 r.p.m. Estas máquinas demuestran que la cinemática paralela tiene un hueco en este sector, en operaciones de tipo punteado y taladrado donde la velocidad de posicionamiento es de gran importancia. 4.1 Componentes en fundición de hierro La fundición gris o laminar tipo GG25 es de amplio uso en la fabricación del bloque motor y otros elementos. Además está creciendo el empleo de fundiciones de grafito compacto o vermicular (CGI) en los bloques motor, concretamente las de tipo GGV 30 y GGV SiMo4-0.5. Ambos tipos de fundiciones, laminar y CGI, son relativamente similares en cuanto a mecanizado. En el mecanizado de bloques motor y otros componentes de automoción las operaciones típicas son las mencionada en el apartado anterior. Los planeados de superficies suelen utilizar platos con plaquitas de corte sustituibles. El diámetro de estos platos permite velocidades de corte muy elevadas sin necesidad de un número muy elevado de revoluciones del cabezal, y exige potencias superiores a 20 Kw. Un tipo de plaquita de gran uso es la octogonal, dado su versatilidad.

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © También se están generalizando el uso centros dotados de control de 4 o 5 ejes, con dos de ellos en la mesa , o bien con uno en la mesa y otro en el cabezal basculante, que buscan el mecanizado en cualquier plano del espacio. De esta forma todas las operaciones se ejecutan en una sola atada de pieza, con el consiguiente aumento de productividad y precisión. En cuanto a las herramientas de corte existen diferentes soluciones, en función de consideraciones económicas. Veamos las principales soluciones, el metal duro, el cermet, la cerámica y el PCBN.

• Metales duros basados en carburo de wolframio sinterizado con cobalto. Hoy se utilizan asociados a recubrimientos superficiales, principalmente de tipo TiN (Nitruro de Titanio), TiCN (Carbonitruro de Titanio) o TiAlN (Nitruro de Titanio Aluminio).Las velocidades de corte recomendadas en corte interrumpido se encuentran en el rango de 150 a 350 m/min.

• Cermets: Los cermets actuales, carburos de wolframio y titanio sinterizados, conocidos como de 3ª generación, incorporan las fases duras de TiC (dureza 3200Hv) y TiCN sinterizadas con un sustrato de Ni y Co. Los modernos aleados TaNbC y MoC añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de fresado. Hoy en día también se encuentran disponibles dos soluciones de interés: cermets recubiertos de TiCN y TiAlN, y cermets de composición no homogénea, donde se consigue que el material de la superficie tenga una proporción muy elevada de fases duras, mientras que la zona central queda con mayor proporción de fases tenaces. Las condiciones de corte recomendadas son avances por diente menores (<0.2mm) a las herramientas de metal duro y velocidades situadas en torno a 250-400 m/min.

• Las cerámicas basadas en Si3N4 son de aplicación en fresado en seco, con un muy buen resultado en las de matriz ferrítica o ferrítico-perlítico. Las velocidades de corte se sitúan entre 600 y 1000 m/min, e incluso pueden llegar a 2000 m/min (con desgastes inferiores a 0.1mm en 200 m sobre GG25). Otros tipos de cerámicas como las Al2O3 reforzadas por whiskers de carburo de silicio, cuya misión es reforzar la baja tenacidad de la cerámica, son una opción valida para velocidades de corte superiores a 1000 m/min y también en operaciones de mandrinado.

• PCBN (Nitruro de Boro Cúbico Policristalino), todo lo que se dijo en referencia al subsector de matricería es aplicables aquí, al tratarse de las misma fundiciones. Cabe destacar que en operaciones de mandrinado, donde el tipo de corte es continuo y por tanto no hay choques sobre los dientes de las herramientas, las velocidades de corte pueden llegar a 1200 m/min.

4.2 Piezas de aluminio Las aleaciones de aluminio están siendo cada vez más utilizadas en el sector de automoción, con el fin de reducir el peso del vehículo. Se utilizan preferentemente en dos aplicaciones, en primer lugar en la fabricación de chasis y carrocería, con empresas que han lanzado toda una línea de desarrollo en esta dirección. Para ello se ha hecho necesario desarrollar tecnologías asociadas al plegado y unión de aleaciones de tipo maleable, y por tanto en este caso el fresado a alta velocidad no tiene razón de ser. En segundo lugar se utilizan aleaciones de aluminio de fundición para piezas del motor del automóvil que deban soportar bajas solicitaciones mecánicas, tal es el caso de cárteres, carcasas de caja de cambios (figura 9), tapas de culata, carcasas de cambios automáticos, y en algunos casos pistones. Además el uso del aluminio, se está extendiendo a otras piezas del motor, como el propio bloque motor, o incluso de la suspensión como el portamanguetas. Las aleaciones utilizadas son del grupo aluminio-silicio AlSi, donde el silicio conduce a una buena colabilidad a la hora del vertido. El porcentaje de silicio suele ser un elemento diferenciador tanto de su utilización como de su maquinabilidad. Así las piezas empleadas en componentes de tipo tapa o cubierta se realizan en aleaciones del tipo AlSi6 o AlSi9. En los últimos cinco años se ha incrementado el uso de aleaciones de fundición con altos contenidos en silicio (12-21%); el elevado porcentaje de silicio otorga a la aleación excelentes cualidades de resistencia frente al desgaste. Sin embargo la convierte en un material fuertemente abrasivo y por tanto de difícil mecanización. La composición eutéctica para la familia de las aleaciones aluminio-silicio ronda el 12.5% en peso de silicio. Por encima de esta concentración, el contenido de silicio precipita en forma de cristales primarios. A este tipo de aleaciones se les denomina hipereutécticas, designando como hipoeutécticas a las que presentan una concentración de silicio inferior al 12.5%.

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Figura 9: Componentes en AlSi. La presencia de silicio primario en las aleaciones hipereutécticas es de interés para aplicaciones que requieren gran resistencia al desgaste. Cabe destacar, en la fabricación de pistones para motores, las aleaciones con porcentajes de entre el 17 y el 21% en peso de silicio. Además de la reducida densidad, que disminuye decisivamente las fuerzas de inercia de los pistones, actúa de modo ventajoso la buena conductividad térmica del aluminio. De este modo es posible conducir el calor desarrollado, que alcanza temperaturas de combustión de más de 2000ºC, desde la cabeza del émbolo a través del vástago del mismo, a las paredes del cilindro, de modo que en la zona más caliente del émbolo, en su cabeza, no se sobrepasa la temperatura de 300ºC. En el mecanizado de aleaciones que contengan aluminio como principal aleante, se presenta habitualmente el problema de la adhesión de aluminio en los filos de corte, fenómeno denominado (Built Up Layer (BUL)). Las aleaciones aluminio-silicio hipereutécticas presentan además un grave problema de abrasión debido a la presencia de cristales de silicio primario dispersos en la matriz de aluminio. Así, en la figura 10 puede observarse la conjunción de ambos problemas en los filos de una herramienta de metal duro recubierta de TiAlN. En las fotografías superiores, obtenidas con un microscopio óptico, se observa aluminio adherido en la cara de incidencia (BUL); en la microfotografía inferior, obtenida con un microscopio SEM, se observa en el filo de incidencia un “chipping” abrasivo debido al silicio primario.

Figura 10. Aluminio adherido en forma de BUL. Detalle de desgaste abrasivo (microscopio electrónico de barrido). Las pequeñas partículas que se aprecian en el filo corresponden a cristales de silicio

primario (aleación hipereutéctica de aluminio-silicio), como se revela en el análisis EDAX adjunto. El diamante es un material óptimo para el mecanizado de aluminio dada la nula reactividad de este material con el carbono, por lo que la adhesión de aluminio en los filos de la herramienta es mínima. Posee además una enorme dureza y resistencia a la abrasión, que lo hacen insustituible para aleaciones de fundición hipereutécticas. Las herramientas industriales se fabrican en forma de PCD (Polcrystaline Diamond), en el que granos de diamante con diferentes orientaciones cristalográficas, sintetizados a altas presiones y temperaturas desde grafito se unen a una fase conglomerante de cobalto y silicio. Las láminas así sintetizadas se unen a cuerpos de metal duro, constituyendo plaquitas de corte o herramientas enterizas. Cabe destacar su excelente comportamiento en el mecanizado de todo tipo de aleaciones de

BUL Si

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © aluminio-silicio, y únicamente su elevado precio frente a las herramientas recubiertas puede descartar su empleo. En la actualidad están siendo desarrollados nuevos recubrimientos de diamante, con durezas que pueden alcanzar los 8000 HV. Cuando se optimicen serán idóneos en el mecanizado de aleaciones hipereutécticas. Se aunarán las ventajas de las herramientas de plaquita de diamante policristalino y de las optimizadas geometrías de las herramientas de metal duro. Pero actualmente, debido a la difusión que presenta el carbono (diamante) en el cobalto presente en la superficie de la herramienta, sólo se consiguen capas que no superan los 6µm de espesor, insuficiente para las hipereutécticas. En la figura 11 se puede observar la diferencia de comportamiento entre una herramienta de metal duro recubierta con TiAlN monocapa y una herramienta con plaquitas de diamante policristalino, sobre AlSi17. Se recogen las fotos finales de ambas caras de incidencia así como una gráfica de evolución del desgaste de flanco (Vb) en función del volumen de viruta extraído. Como conclusión, la única solución en este caso es el uso de herramientas de PCD, dado que la herramientas de metal duro no soportan la intensa abrasión. Con una herramienta PCD se realizaron 140 pistones como el del detalle mostrado en la figura, mientras que no se pudo mecanizar ni una sola con metal duro. 4.3 Mecanizado en seco o con mínimo refrigerante Una tecnología que se está imponiendo en diversos sectores, y de una manera especial en el de automoción, es el mecanizado en seco. El problema medioambiental es cada vez más importante, y las normas que regulan la aplicación de productos químicos en la industria son cada vez más estrictas. La mayoría de los lubricantes contienen sustancias que a menudo aparecen en dichas normas. Además, y de un punto de vista estrictamente económico, la aplicación de refrigerantes en modo tradicional puede llegar a suponer en ocasiones extremas hasta un 15% de los costos de la operación de mecanizado, según un estudio presentado por Klocke del WZL (6).

00,050,1

0,150,2

0,250,3

0,350,4

0,450,5

0 5 10 15 20 25 30

Volumen de viruta (dm3)

Vb

(m

m)

PCDMetal duro

Figura 11. Mecanizado de una aleación hipereutéctica con herramienta de metal duro recubierta de TiAlN y herramienta de PCD. Arriba detalle de cámara de combustión de un pistón en esta

aleación.

AlSi17Cu4Mg Vc = 1206.37 m/min Vf = 7200 mm/min ae = 10 mm ap = 6 mm Q = 432000 mm3/min

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © Desafortunadamente la afinidad del aluminio respecto a casi todos los materiales de corte impide la eliminación total del refrigerante. Una opción es emplear la técnica denominada lubricación mínima por micropulverización, abreviadamente MQL (Minimal Quantity of Lubricant). Este sistema de lubricación/refrigeración se basa en la inyección de aire a presión con pequeñas cantidades de aceite micropulverizado (partículas de aceite inferiores a 2 µm de diámetro). El chorro combinado de aire y aceite actúa de tres formas diferentes, 1) eliminando el calor generado en el corte gracias a dos mecanismos, la convección del aire inyectado, y la evaporación de parte del aceite inyectado absorbiendo el calor de la herramienta, 2)disminuyendo el rozamiento en la cara de desprendimiento, dado que las gotas de aceite son suficientemente pequeñas para inmiscuirse entre la viruta y herramienta, y 3)evacuando la viruta debido al aire a presión. Esta técnica se está introduciendo en varios sectores, como el aeronáutico, pero aquí existe la dificultad asociada a la necesidad de evacuar grandes cantidades de viruta, para lo que se requiere taladrina en grandes caudales. Sin embargo en la fabricación de componentes de automoción este problema no existe dado que se parte de piezas fundidas, y las operaciones a realizar son acabados. Por ello el uso de esta técnica está creciendo, tanto en fresado con inyección de aire+aceite desde fuera de la herramienta, como en taladrado, inyectando en este caso la mezcla por el interior de la herramienta. Así, en pruebas realizadas en el taller del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco se han obtenido óptimos resultados sobre AlSi6, AlSi9 y AlSi12, con consumos inferiores 0.06cc de aceite al minuto, y con un desgaste de herramienta menor al caso de taladrina convencional (agua + 5% de aceite). En la figura 12 se observa el resultado comparando herramientas de metal duro sin recubrir y recubiertas con TiAlN, mono y multicapa, y con un recubrimiento antifricción (de tipo WC:C). La simulación realizada del proceso de corte en seco (con software Thirdwave Advantedge 4.0), muestra que la temperatura en la cara de desprendimiento puede llegar a 600º, por lo que existe peligro de difusión/adhesión del alumnio en el filo si se mecaniza en seco. Los mejores resultados se han obtenido con TiAlN multicapa de unos 6 µm de espesor.

Figura 12: Mecanizado en condiciones de MQL de la pieza de la figura realizada en AlSi12. Se han utilizado herramientas de metal duro con diferentes recubrimientos. Abajo simulación del corte en seco

de esta aleación en las condiciones arriba indicadas.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 2,41 4,83 7,25 9,67

Volumen de viruta (dm3)

Des

gas

te v

b (

mm

)

TiAlN multicapa

TiAlN monocapa

Antifricción

Sin recubrir

Parámetros de corte: S (revoluciones) = 24000 rpm Vc (velocidad de corte) = 1206,4 m/min fz (avance por diente) = 0,208 mm/z vf (avance) = 10000 mm/min ap (prof axial) = 4 mm ae (prof radial o paso) = Vble. según pasada Lubricación: MQL aceite (0.08 ml/min)

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © 4.4 Piezas de magnesio, resumen El magnesio es considerado el material estructural más ligero, no en vano su densidad es aproximadamente 1,8gr./cm3, es decir un 33% menor que el de aluminio. Su uso es creciente en la industria de automoción, con proyectos de desarrollo de elementos estructurales en magnesio fundido en USA, Europa y Japón. La aleación más usualmente utilizada es la AZ81. Su mecanizado es relativamente fácil, dado que su energía específica de corte es menor en casi un 70 % a la del aluminio. El mecanizado a alta velocidad puede ser muy favorable para estas aleaciones ya que se alcanza una menor temperatura en el corte. En cuanto al diseño de las herramientas se puede decir que las dedicadas al aluminio son adecuadas, siendo especialmente recomendadas las de metal duro. Como dato especifico, las herramientas suelen tener menos dientes de lo normal (2 o 3) para evacuar mejor la viruta. Los parámetros de corte pueden ser tan altos como aquellos que permita la máquina, en lo referente a la velocidad del husillo, a avance por diente, y a profundidad de pasada. La única razón para limitar la velocidad de corte a 1500-5500 m/min es la de evitar las tensiones residuales en el material mecanizado. Se puede mecanizar tanto en seco como con refrigeración, aunque ésta última es recomendable para conseguir una adecuada disipación del calor y mantener fría la superficie mecanizada. El mecanizado en seco es preferible en operaciones de fresado en las que el operario puede observar las zonas de recolección de virutas y sofocar el fuego que puede originarse justo en el momento de iniciarse. La correcta elección del refrigerante es fundamental, así por ejemplo el contenido en ácido debe ser menor que el 0.2% para evitar la corrosión del magnesio; por otro lado los refrigerantes de base acuosa no son adecuados ya que el magnesio reacciona con el agua formando hidrógeno potencialmente explosivo, esto hace que además se deba tener especial cuidado en el almacenaje de las virutas ya que en contacto con agua podrían provocar explosiones. Las virutas húmedas deben almacenarse en contenedores de acero suficientemente ventilado para evitar acumulación de gas hidrógeno. Las virutas semisecas y con aspecto fangoso son especialmente peligrosas y pueden encenderse espontáneamente. Existen tratamientos para hacer incombustibles este tipo de fangos, por ejemplo con una solución de cloruro férrico (FeCl2·2H2O) al 5%, según la norma NFPA 48-1974 descrita en "NFPA Fire Protection Handbook". Durante los últimos tres años se ha desarrollado en Europa una serie de proyectos para diseñar una máquina especialmente adaptada a los problemas de ignición y desalojo de virutas de aleaciones de magnesio. En la figura 13 se observa un prototipo desarrollado por Ideko.

Figura 13. Módulo de mecanizado ágil con motores lineales pensado para mecanizado de aleaciones de

magnesio con mínima cantidad de lubricante, de Ideko (7).

L. Norberto López de Lacalle Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco © 5. Conclusiones Tras los puntos anteriormente desarrollados ha podido quedar patente que la tecnología de fresado a alta velocidad se está extendiendo con gran rapidez en varios subsectores de automoción. Es difícil evaluar numéricamente el impacto de esta tecnología en cuanto a número de máquinas instaladas en el sector. Sin embargo sí se puede tener una idea indirecta evaluando la oferta de centros HSM del sector fabricante de máquina herramienta, destinados a los diversos subsectores de la industria del automóvil. Este hecho se demuestra tanto en el número de máquinas que se ofertan, creciente en todos los stands de ferias internacionales, así la EMO, METAV, BiMH o IMTS, como en la especialización que en este campo están adquiriendo algunas empresas. Así, algunos lideres mundiales en máquina herramienta, como DMG (Deckel Maho Gildemeister), Mazak, Mori Seiki, Makino, Micron, Soraluce, Haas, etc, ya están en esta línea y también los de menor tamaño que apuestan por un producto de mayor valor añadido, como D+S, Etxe-tar, Ibarmia, Kondia, Goratu, o Huron . Una última reflexión sobre esta tecnología, que por el público al que se destina esta revista puede entenderse de forma directa, la tecnología HSM puede verse en semejanza a la adquisición de un automóvil de altas prestaciones (Ferrari) y su forma de conducción (conducción de tipo deportivo). La mayor complejidad de la tecnología de fresado a alta velocidad conlleva la necesidad de que la máquina y el proceso HSM tengan un desarrollo conjunto, y constituyan los dos pilares de una oferta global al usuario de la máquina. Por tanto el usuario necesita una solución global de mecanizado consistente en una máquina de altas prestaciones (el deportivo) y un proceso optimizado (saber conducir un deportivo). En la definición de proceso se incluyen la selección de las herramientas y de las condiciones de corte adecuadas, el uso de software CAM de elevadas prestaciones , y de una metodología especialmente pensada para realización de programas depurados de CN. De otra forma no surgirá un beneficio destacable en el uso de esta tecnología.Las ideas recogidas en este artículo se pueden ampliar en el libro Fresado a Alta Velocidad (8). 6. Agradecimientos Agradezco la colaboración de Javier Aranceta de Ideko AIE por su aportación de ideas para la elaboración de este trabajo. Asimismo se agradece a Patxi Aristimuño de la Universidad de Mondragón su colaboración en el estudio resumido en la figura 6. 7. Referencias y contactos

(1) H. Schulz, “Hochgeschwindigkeitsfräsen metallischer und nichtmetallischer Werkstoffe“ (Fresado de alta velocidad en metales y no metales), Carl Hanser Verlag, München, 1989

(2) H. K. Tönshoff, “Technologie des Werkzeug- und Formenbaus im internationalen Vergleich“ (Comparación internacional de la tecnología del mecanizado de moldes y matrices“, publicación del IFW Hannover, 1995

(3) Maidagan,X., Klocke, F., Schumacher,B., Marín,J.C., Comparison EDM / HSM, XIII International Symposium of Electro Machining, Bilbao, 2001

(4) Fundación Fatronik, Centro de mecanizado AGIL, www.fatronik.com (5) Urane SX, Comau-Renault Automation (6) F. Klocke, G. Eisenblätter, “Machinability Investigation of the Drilling Process Using Minimal

Cooling Lubrication Techniques”, Production ngineering,1997, vol. 4 / 1, pp.19-24, (1997) (7) Mecanizado de magnesio, Centro Ideko, www.ideko.es (8) Fresado a alta velocidad, López de Lacalle y Urizar (ed.), Ediciones técnicas Izaro, Bilbao