mecanizado de alta velocidad-1

8/2/2019 Mecanizado de Alta Velocidad-1

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Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución experimentada por la tecnología defabricación en los últimos 10 - 15 años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías decomunicación, etc., están revolucionando el mundo en general y en particular el mundo empresarial. En elcampo que nos concierne, mecanizado-fresado, “el cambio o la revolución ” ya ha llegado y, aunque todavíaqueda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a Alta Velocidad (MAV) es ya una realidadque 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 demateriales y figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, como porejemplo: 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)? Esmecanizar a altos avances (Vf)?

Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es que no significa obligatoriamentemecanizar a altas revoluciones de husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades dehusillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro (25 - 30 mm.). Las condiciones delproceso (velocidad de corte, avance, profundidades de corte radial y axial, etc.). dependerán del material amecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.

Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias características de maquinabilidad,lo que nos marcará los límites operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:

• 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 procesoen general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica muestra los rangos de velocidades decorte en función del material mecanizado.



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Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización del mecanizado con lasposibilidades 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 lasque 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 elmecanizado 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 delmecanizado, en el que cada material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, susherramientas, etc.

3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA?

La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el mecanizado en óptimas condiciones y laposibilidad de mecanizar algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte Vc(>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.

3.1 Un cambio de filosofía

1. Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

• Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.

• En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente mayor que el gasto de tiempo en

mecanizado.

• Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a pie de máquina.

2. Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas, controles, etc.

• La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de mecanizado deseada y al perfilobjetivo (rígida, precisa, segura, etc.).

• CNC: Deben ser capaces de prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en elinstante de tiempo siguiente (look ahead, nurbs, etc.).

• CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el MAV.

• La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la operación requerida. Losrecubrimientos aumentarán la vida de las herramientas.



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El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone un cambio de mentalidad ynecesidades: 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 pasadasrápidas de menor profundidad de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada (volumende material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de corte y los elevados avances disminuyen lasfuerzas de corte gracias a espesores de viruta cada vez más pequeños.

4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV

• Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles, posibilidad de mecanizarparedes 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 deoptimización en determinados campos de aplicación.

Herramientas para mecanizado a alta velocidad 1. INTRODUCCIÓN:

En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV no existiría si no se dispusiera deherramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadastemperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las herramientas suponen actualmente unalimitación en el mecanizado. Una limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las causasmás 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 yla herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.



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- Desgaste por difusión: desgaste producido por el aumento de la temperatura de la herramienta, con loque se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficiede 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 cortesintermitentes 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 lasherramientas, 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? ¿Cómoseleccionaremos 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: losrecubrimientos, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado, longitudde la herramienta, etc.?

Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un estudio de las herramientas.

2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:

Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres campos clave en una herramienta:(material de la herramienta), geometría y recubrimiento.

2.1. Sustrato

Aceros: para trabajos en frío o en caliente - No se utilizan en el MAV

Acero rápido: una aleación de metales que contiene alrededor de un 20% de partículas duras. Apenas seutilizan en el MAV.

Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo unidas por un aglomerante a través deun proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Losmás comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburode niobio (NbC). El aglomerante típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado dealuminio 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 yaluminio (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 equilibrioentre la tenacidad y la resistencia al desgaste.

Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburocementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. Elaglomerante es níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidadquímica y dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de grandureza y resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellosmateriales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCyMoC añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de

fresado.

Cerámicos: Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al 2O3) y las de nitrurode silicio (Si3N4). Son duras con alta dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales



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de la pieza. Sin embargo son muy frágiles. - Ideales para el mecanizado de piezas en duro y comoreemplazo de las operaciones de rectificado. ·

Nitruro de Boro Cúbico (CBN): Es uno de los materiales más duros. Ocupa el segundo lugar después deldiamante. Dureza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidadquímica 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 unaincreíble resistencia al desgaste y una baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida dela herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas decorte no deben exceder 600 ºC, no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, yno sirve para cortar para materiales tenaces.

2.2. Geometría

Espiga (cuello) cónica: Con el fin de mejorar la rigidez.

Alma de gran diámetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las vibraciones y el riesgo de melladode 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 decontacto con la viruta. El calor se transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado superficial.Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la forma definitiva.

2.3 Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a mecanizar

Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando la adherencia de material al filo.Herramientas de pocos labios (2) con ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuaciónde grandes caudales de viruta.

Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez. Mucha hélice para disminuir laresistencia 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 decualquier diámetro. Elevado coste. Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad deuna estrecha relación proveedor-usuario.

De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional. Diámetros cercanos a los 8 mm. Solometal duro para MAV. Normalmente para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad dereposición.

2.4 Recubrimientos

Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos:

• Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.• Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte.• Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta.• Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza.• El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”.• Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor.



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2.4.1 Recubrimientos de TiAlN

Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los recubrimientosTiAlN 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 aluminioque 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 (Hv0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y química de la capa TiAlN. Así protege las herramientasde 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 enseco o con mínima cantidad de lubricante.

• Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones demecanizado severas. Su elevada dureza, 3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºC, yquímica hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materialestérmicamente tratados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.

2.4.2 Recubrimiento de diamante

Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizadode estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies mecanizadasy la precisión dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuyadureza es superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y poder aumentar lasvelocidades de corte, disminuyendo así de manera importante el tiempo de mecanizado, se consigue unbuen acabado de la superficie y una buena precisión dimensional.

2.4.3 Recubrimiento WC/C

Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los 200 ºC. Al realizarse el proceso derecubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas

a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración, galvanizado). Losrecubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la última operación dentrode los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una combinación única de características:Bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.

2.4.4 Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C

Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formación yevacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del recubrimiento TiAlNcon las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo entaladrados 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 rozamientocontra el acero

0,4 0,4 0,2 0.2 0,4 0,4

Temperatura máxima detrabajo

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; 2/3TiAlN)

1-5 1-3



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Portaherramientas para máquinas de alta velocidad

El objetivo de este capítulo es presentar los distintos tipos de portaherramientas que existen actualmente enel mercado para el mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones existentes entreel desequilibrio y los diferentes tipos de portaherramientas.

1. INTRODUCCIÓN

El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de concentricidad de la herramienta de corte conel 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 losconos SK 40 & 50 (DIN 69871) y BT 40 & 50.

Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los portaherramientas más convencionales, seresumen 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 diferentessistemas empleados para el ajuste de herramientas en los portas de alta velocidad son:

Mecánico: Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste de tuerca y pinza (porta-pinzas).En el caso de tuerca de gran apriete, la pinza es cilíndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuercanormal, la pinza es cónica.

Hidráulico: No es una opción muy recomendable, ya que al girar a altas revoluciones (a partir de 20000rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar el salto radial de la herramienta. Las ventajas que presenta esteportaherramientas es que no necesita ningún mecanismo secundario, sin embargo el coste individual delportaherramientas (sin contar el mecanismo de calentamiento de los térmicos) es más elevado que lostérmicos.

Térmico: El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento, con lo que aumenta el diámetrointerior por dilatación. Una vez dilatado se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso decontracción queda sujeta la herramienta. Esta opción es la mas recomendada, pero actualmente también esla mas compleja y cara, ya que obliga a disponer de un porta por diámetro de herramienta, y un dispositivotérmico auxiliar para la sujeción.

La elección del tipo de portaherramientas dependerá del centro de mecanizado y la precisión con la que se

piense trabajar.

En la tabla adjunta se muestra la precisión proporcionada por cada uno de los sistemas de amarrecomentados en párrafos anteriores:



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Útil Precisión (m/m)

Portapinzas convencional 0.015

Portapinzas tipo Weldon 0.020

Portapinzas hidráulico 0.003

Porta de deformación mecánica 0.003

Porta de dilatación térmica 0.003

A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente pequeños pueden producir fuerzaspeligrosamente altas en los rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminución de la vida útil delmismo.

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 laherramienta 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 fuerzascentrífugas causan grandes tensiones internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un falloprematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de producción de una máquina de altavelocidad durante semanas con el fin de sustituir el husillo de precisión, operación que no está exentaademás de un alto coste económico. Otro efecto del desequilibrio está relacionado con la reducción de lavida de la herramienta de corte (50% menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).

Fig. 1. Fig. 2.- Comparación entre vástagos HSK y CAT (SK)

En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su fabricación a las revoluciones queexige 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 elmecanizado a alta velocidad, lo ideal sería reequilibrar el conjunto herramienta / portaherramientas / husilloen la propia máquina herramienta. No obstante, hoy en día, existen muy pocos sistemas para un equilibradocompleto, por lo que hay que hacerlo en una máquina de equilibrado externa.



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Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad 1. INTRODUCCIÓN

En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía mecánica se transforma en energía térmicaa 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 alpunto de corte y a la cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación de energíaprovoca 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 laexpansión 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 delmaterial excedente

Lubricación: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta mediante ladisminución de la fricción entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así comoentre la cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan directamente en el punto defricción, creando una capa protectora en esa zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramientay la pieza.

Refrigeración: Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado durante el proceso por el rozamientoentre pieza y herramienta, además del calor generado por deformación plástica en el proceso de formaciónde la viruta.

Retirada del material excedente. La evacuación y transporte de las virutas es una de las funciones másimportantes de los fluidos lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la pieza einfluyen 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 elpunto 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 delos procesos de mecanizado, aunque también tienen un factor indeseable.

En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental de los procesos de fabricación hansido objeto de amplios estudios y consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo sevuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan debido al calor generado en el procesode 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 yalmacenaje 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 procesoun 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 ala alta velocidad de giro del cabezal, por lo que la transferencia de calor a la herramienta es tambiénpequeña y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de lubricación. Esta presunción essiempre dependiente del material que estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende delcoeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a la mayoría de aceros, en algunostipos de aleaciones ligeras (aluminio y magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleacionesde baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).



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El desarrollo de recubrimientos de última generación, con una excelente resistencia a alta temperaturafavorecen la posibilidad de realizar el mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con unamínima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).

Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista económico y medioambiental, la industriaestá sugiriendo nuevos procesos y métodos de lubricación. El paso más lógico para evitar estos problemases 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 demostradoun excelente comportamiento en el mecanizado en condiciones de ausencia de lubricación. Estos materialesde recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen incrementos de vida de herramientade entre el 30 y el 70%. Sin embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben serconsideradas como particularmente críticas.

En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100% por cualquier razón tecnológica, elmecanizado MQL proporciona una alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que lacantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 - 0.5 ml/min, tanto la herramienta como la piezapermanecen secas, con lo que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así comolos 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 cantidadde aire que se insufla en la zona de corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza seconsigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.

Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad ha llegado a ser una tecnologíaextendida en el sector industrial, las empresas que desarrollan software han pretendido “no perderse elcarro” de la innovación, colocando el sello “Software para el mecanizado de Alta Velocidad” en sus productos.

Esta campaña de marketing ha supuesto el desconcierto entre los usuarios, primero por conocer si supaquete de CAD/CAM está o estará a la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en susempresas 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 lasoperaciones de mecanizado a alta velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema deCAD/CAM que quiera competir en el área del mecanizado de alta velocidad.



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2. OPERACIÓN DE DESBASTE

Raster: esta trayectoria se genera a partir de unángulo dado en XY, manteniendo un con pasolateral ae y un paso vertical ae. El softwaredebiera incluir por defecto diferentes opcionespara adaptarse al mecanizado de alta velocidad,

como son radios en los cambios de dirección,entradas en espiral, etc.

Trocoides o Epicicloides: pocos paquetesincorporan este tipo de estrategia avanzada. Lanovedad de esta forma de trabajo es que seconsigue evacuar grandes volúmenes de material

con bajos niveles de consumo de potencia delcabeza, caso que es muy frecuente en los centrosde mecanizado de alta velocidad.

Perfilado u Offset: consiste en obtener trayectoriassiguiendo el contorno de la geometría. De lamisma manera que la trayectoria Raster, elsoftware debiera incluir por defecto diferentesopciones para adaptarse al mecanizado de altavelocidad como son radios en los cambios dedirección, entradas en espiral, etc.

Entradas en Z: debe de incorporar diferentesformas de entrar la herramienta sobre la pieza:taladro, rampa o espiral, ésta última es la másrecomendable para salvaguardar la integridad dela herramienta.

Arcos: el software debiera generarautomáticamente radios o arcos para evitarparadas bruscas ante un cambio de trayectoria.

Cambios de Dirección: es necesario tener uncontrol total de la trayectoria programada, elsoftware nos debe permitir en todo momentocambiar la dirección de mecanizado.

Mecanizado de restos: El paquete de CAD/CAM debereconocer de forma automática zonas que no hamecanizado una herramienta anterior.



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Edición de las sendas de mecanizado: en muchosde los casos es necesario modificar la senda demecanizado obtenida de forma automática parahacerla coincidir con zonas concretas de lageometría, el paquete de CAD/CAM debe permitireditar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...

Minimizar los movimientos de trabajo con eldiámetro de la herramienta: el software nosdebiera proponer unas trayectorias de mecanizadoevitando que la herramienta mecanice con todo sudiámetro.

3. OPERACIONES DE ACABADO

En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas trayectorias por lo que el software debeser muy flexible.

ZIG-ZAG o Raster

Estrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAMincorpora, la senda de mecanizado se proyecta con unángulo programado

Planos en Z

La senda de mecanizado contornea la geometría conpasos verticales constantes. .



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Espiral

Se proyecta la forma de una espiral sobre la pieza

Radial

El software proyecta radios sobre la geometría con unaseparación que se introduce por el usuario

Offset

En esta estrategia se mantiene constante el pasolateral proyectado sobre la superficie para lo cual,realiza una reducción del contorno sobre toda lasuperficie de la pieza.

Mecanizado por zonas

El software debe dar la posibilidad de dividir la piezapor zonas y así, mecanizar cada zona con la estrategiaque más convenga.

Límites

El paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crearlímites sobre las superficies con objeto de crearestrategias por zonas.

Bitangencias

El software debe incorporar la posibilidad deseleccionar zonas de unión de superficies con radiosde 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 existensoftware específicos para la simulación de las trayectorias, somos de la opinión que esta opción debe estarincorporada como una herramienta más dentro del propio programa de CAD/CAM

Controles numéricos para MAV1. INTRODUCCIÓN

Las aplicaciones de alta velocidad en máquina herramienta exigen un nivel mínimo de prestaciones a losCNC’s que gestionan el proceso de mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altasvelocidades 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 elprograma escrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado enel interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es necesario realizar una serie detransformaciones 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 laherramienta está basada en la generación de una sucesión de puntos entre los cuales se realizaninterpolaciones lineales. Cuanta más precisión se exige, mayor es el número de puntos, y el hecho de tenerque procesar toda esa cantidad de información con precisión y a gran velocidad impone la adopción desoluciones específicas en los controles numéricos para alta velocidad.

EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los diferentes errores que se producendentro de las tolerancias establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como cabeesperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de avance que se requieren. En los siguientespuntos 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 altavelocidad, entre ellos podemos citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num,etc.



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CNCs Fidia para alta velocidad

2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD

2.1 Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre entre cada medida de posición yactualización 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 unavance determinado, o viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas determinada marcala velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclodel 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 sequiere 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 conprecisión. Los CNCs para alta velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del orden deunos 100µs.

2.2 Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque es el mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques delprograma de CNC. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar undato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones...), yademás iniciar y terminar el movimiento en cuestión. En alta velocidad, y especialmente para aplicaciones decontorneado, 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 lacapacidad de aceleración de la máquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de lacapacidad 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 informaciónsobre el estado de los accionamientos así como influenciar el comportamiento de los lazos. Losaccionamientos digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:



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• 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 develocidad y aceleración. Se trata de controles en avance que permiten una importantereducción 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 K v del lazo de posición ytrabajar 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 frecuenciasintegrados.

• Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales como la implementación defiltros digitales.

2.3 Look-Ahead

Quizás una de las prestaciones más importantes de la que es necesario que cualquier CNC disponga paratrabajar en alta velocidad sea la función “ look-ahead ” (mirar en adelanto). En la función Look-Ahead elprocesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en elprograma de pieza que se está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo ala máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la máquina mantener el avance a valores relativamentealtos 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 esdinámica, cambia en función de los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o lascaracterísticas 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 elCNC ya que esta realizando operaciones innecesarias. El número típico en alta velocidad está por encima de100 bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000 bloques.

2.4 Control de aceleraciones

El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la mecánica de la máquina herramientay provoca vibraciones en los ejes. Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo quehace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que tenga forma trapezoidal, mejorandonotablemente el comportamiento de la máquina.



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Perfiles de aceleración

Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curvatrapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una función sen

2 .

Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen losesfuerzos a los que se ve sometida la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción devibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar el valor de la velocidad y reducir elerror.

2.5 Capacidad de almacenamiento. Ethernet

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de piezas en 3D,ocupan varios megas de memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.

Los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duroscon capacidades de almacenamiento de gigas, por lo que el problema del espacio que existía antiguamenteya no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las ventajas añadidas que suponeuna conexión de este tipo en cuanto a la transmisión y utilización de cualquier tipo de información.

2.6 Interpolación polinómica. NURBS

Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemáticos que definen exactamente una curva osuperfice a partir de varios puntos de control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unospesos asociados a los mismos. Los pesos actúan esencialmente como la gravedad, produciendodeformaciones en la dirección de los puntos de control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayorserá el número de puntos de control que deberá especificarse, pero, en todo caso, el número de puntosgenerados será menor que el necesario utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. Lareducción en el número de puntos manejado en las curvas habituales está en una proporción de entre un 30y un 50%.

El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa evidentemente de la disponibilidadde un CNC con interpolador polinómico, capaz de procesar la información codificada en esta forma.



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>

Ejemplos de curvas NURBS

Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con NURBS para la definición de curvas ysuperficies. La disponibilidad de un CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminación de unpaso 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 latrayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.

La reducción del volumen de datos que se obtiene con la especificación de las trayectorias mediante NURBStiene importancia en el caso de utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hastafechas recientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y con la posibilidad de aplicar lafunción 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 ypuede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones delos CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidades de avance y/oaceleraciones no están causadas por la capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta delsistema 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 lasposibilidades de los CNCs actuales. De esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrolladopara el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por tanto, la integración conperiféricos, adquisición de datos, etc. se solucionan fácilmente con sistemas comerciales de tercerosfabricantes, diferentes de los fabricantes de CNCs.

4. CONCLUSIÓN

Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el mecanizado de alta velocidad,cabe destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo deservo que, junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas aceleraciones yvelocidades 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.



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Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIÓN

La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a procesos de mecanizado en loscuales la velocidad de corte se ha incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a granparte 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 gradode rapidez y precisión, lo que hace que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren unaimportancia fundamental en el buen hacer de la misma.

Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades de avance superen los 100 m / min,y más importante quizás que el valor del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando semecanizan 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 losservomotores rotatorios usados en conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisióncomo 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 conpotentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de prestaciones para máquinas herramienta dealta 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”, esdecir, 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 encuentranlos 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 lasguías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo deaccionamiento lineal.

Integración de un motor lineal en un carro de máquina herramienta



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1. ¿Qué ofrecen los motores lineales?

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez juntocon la existencia de posibles holguras en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hastauna longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en el mejor de loscasos. Las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica, que debido asu elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando ladinámica y la ganancia del factor K

v. 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 entransmisiones mecánicas:

• Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.• Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importante que el valor de la velocidad

máxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, oincluso más.

• Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan unaidea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza aaltas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión enaplicaciones 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 ylos husillos a bolas

Husillo a bolas Motor lineal

Velocidad máxima 0,5 m/s 2 m/s (3 ó 4 posible)

Aceleración máxima 0,5 – 1 g 2 – 10 g

Rigidez dinámica 9 – 18 kgf/mm 6– 21 kgf/mm

Tiempo posicionado 100 ms 10 – 20ms

Fuerza máxima 26.700 N 9.000 N/bobina

Fiabilidad 6.000 – 10.000 h 50.000 h

Fuente: High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief

Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de motores lineales presenta una seriede inconvenientes. Una de las pegas de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que segenera, por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeración y/o aislamiento térmico de losaccionamientos para que puedan operar con precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, lasdilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina pueden comprometer su nivel deprecisión y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La noexistencia 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 controladorelectrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido parta mantener la estabilidad. Es habitualemplear técnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores seutilizan en condiciones dinámicas exigentes.



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Módulo de mecanizado basado en motores lineales, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10m/s2

4. CONCLUSIONES

Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en losaccionamientos 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 deaplicación y de futuro. Sin embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos rotatorios deforma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales en diseños ya existentes, sino que es necesariorealizar un completo rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que ofrecen. Esnecesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevosdesarrollos.

La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad

En este capítulo se profundizará en las soluciones constructivas de las máquinas-herramienta preparadaspara aplicaciones de alta velocidad.

Este estudio se basa únicamente en los centros de mecanizado (de fresado) y no se tienen en cuenta otrasmáquinas de arranque de viruta como tornos, abrasión (rectificadoras) o electroerosión. El concepto demecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para muchas de estas tecnologías, pero sólose 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 primerolas necesidades funcionales de las mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa ycuantitativamente 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 superficiescomplejas de 3D es lo más importante, los conceptos de precisión (±0,002 mm), falta de vibración (<0,002mm, pico a pico) y requerimientos de Vc (aprox. 300 m/min) serán muy diferentes a una máquina concebidapara el mecanizado en serie de piezas de aluminio o magnesio de fundición, donde lo que prima son lasaceleraciones, 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 otrocapítulo 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 paradiente (fz) son fácilmente relacionables con conceptos funcionales tales como velocidad de cabezal (S),



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potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez, amortiguación, precisión o estabilidad térmica, seinterrelacionan y afectan a muchos de los sistemas de la máquina-herramienta, haciéndolos algunas vecesincompatibles con los requerimientos funcionales.

1.1 Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S)

La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la herramienta cuando el cabezal gira a las

revoluciones necesarias para arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de lavelocidad angular del cabezal S, (rpm) y el diámetro de la herramienta, Øherramienta (mm). Sabemos porcapítulos anteriores que, con estas magnitudes, la velocidad de corte se calcula según la ecuación:

donde: Rmax = rugosidad máxima teórica (mm) y R = radio de la herramienta (mm)

Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobretodo, los nuevos recubrimientos permitenmecanizar a más altas velocidades de corte, la máquina debería aumentar proporcionalmente la velocidadangular de su cabezal.

La velocidad angular máxima del cabezal de la máquina-herramienta depende de un parámetro básico dediseño. La Vc depende, aparte del tipo de herramienta, de su diámetro y del material que se estámecanizando 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 puedenconseguir 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 conalta velocidad son de Ø 25 mm. (muchas de las aplicaciones aeronáuticas en aluminio) hasta a Ø 1 mm. oincluso 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 Herramientamínimo

Velocidad angular(S)

Aeronáutica: piezas de estructuras Aluminio 1200 15 25.500

Moldes de inyección de plásticos multicavidadde precisión

Acero DIN1.2344

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 diferentesaplicaciones son evidentes. Estos valores son valores teóricos que, en la práctica, se pueden ver limitadospara la potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida útil del cabezal o para los avances demecanizado requeridos en estas velocidades angulares del cabezal. De todo esto se hablará en el apartado2.

1.2 Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F)

El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre el corte de uno de los dientes y elsiguiente. Es decir: el avance por diente es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valorestá 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, portanto, el valor de fz (mm) es una característica tecnológica que ha de ser informada por el fabricante deherramientas. Así pues, fz y Vc, son las dos características tecnológicas que determinan el proceso dearranque de viruta, y las dos las determina la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).



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El avance por diente es directamente proporcional al avance de mecanizado (F) e inversamente proporcionala la velocidad angular del cabezal (S) como se indica en la ecuación 3.3, donde z es el número de dientes dela herramienta.

Con esta relación vemos que, para una fz determinada para la herramienta y con la velocidad angular delcabezal cada vez mayor gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de aumentar en lamisma proporción. Y prosiguiendo con los mismos ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 según:

Material Z Herramientamínimo

Velocidad(S)

Avance pordiente (fz)

Avance detrabajo (F)

Aeronáutica: piezas deestructuras

Aluminio 3 15 25.500 0,25 19.125

Moldes de inyecciónplásticos

Acero DIN1.2344

2 1 70.000 0,05 7.000

Aeronáutica: piezasestructurales Titanio 3 Ø 10 1.900 0,2 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, esenorme. 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 cabezalporque 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 decontrol numérico con un cabezal de elevada velocidad de rotación.

La tabla 2 evidencia que la máquina de alta velocidad ha de ser concebida desde un inicio de forma diferente.

1.3 Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal removal rate”) y potencia delcabezal

El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal removal rate”) se mide en cm3/min. ytiene 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 losejemplos del apartado anterior se obtienen las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencianecesaria 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 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 distintasaplicaciones.



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1.4 Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte

Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente, la reducción del tiempo delproceso de mecanizado. Hasta ahora se ha visto el mismo proceso tecnológico, pero en el proceso total defabricación de una pieza intervienen otros tiempos donde la máquina no “elimina material”, que pueden serdenominados tiempo de no-corte (del inglés: “non-cutting time”). Este incluye los tiempos de carga ydescarga de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vacío de los ejes y aceleración ydesaceleración del cabezal.

Todos estos factores son más importantes cuanto menores sean los tiempos de mecanizado. Esta relaciónde “tiempo de corte”/”tiempo de no-corte” determina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte enuna 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 elmecanizado de una pieza de pre-fundición de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar sonmuy pequeños y la cantidad de herramientas es grande para la especialización de las mismas, los tiempossumados de no-corte pueden llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, lareducción de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la reducción del tiempo de mecanizado.

En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a la producción de piezas en serietienen en cuenta las siguientes características.

1.4.1 Aceleración / desaceleración del cabezal

Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo más rápidamente posible.

Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo sólo 2 o 3 segundos si se utilizancondiciones de alta velocidad (S=15.000 rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajosupusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad el rendimiento del proceso seríaextremadamente pobre. En el apartado 2 se verá que este factor afectará a menudo el diseño del tamaño de

los rodamientos del cabezal.

1.4.2 Tiempo de cambio de herramienta

En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la acción que más hace aumentar eltiempo de no-corte. Por este motivo, los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado sistemas demuchos tipos para reducirlo.

En algunos diseños de máquina el cambio de herramienta determina hasta la configuración de los ejes, y sesacrifican otros factores importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de ineficacia. En elapartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuestas.

1.4.3 Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes

Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los tiempos de posicionamiento. En laspiezas donde hay muchos procesos de agujereado, roscado, etc., los tiempos de posicionamiento son muyimportantes. 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 aoperación son de menos de 100mm. Si la velocidad máxima de la máquina es de 50 m/min. pero senecesitan 400 mm. para conseguir esta velocidad, la solución es inválida. Por tanto las aceleraciones sonmuy importantes y, por ello, a menudo los datos son dados en tiempos requeridos para posicionamientos deciertas dimensiones.

La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma vital en el diseño de los sistemas deaccionamiento, guías, y estructura de la máquina para conseguir dinámicas muy interesantes. Pensamos queen las máquinas de producción se puede hablar de velocidades superiores a los 50 m/min. y aceleracionessuperiores a 1G.



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Otra consideración tiene los ejes rotativos que están a menudo aparte de los tiempos de posicionamiento, yrequieren tiempos de enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas al mecanizado.Muchas piezas de éstas son tan importantes como las de posicionamiento de los ejes coordinados.

1.4.4 Tiempo de cambio de palet

En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se minimizan utilizando cambios de

palet (o tabla) para poder hacer la preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una estaciónexterna. Entonces el único tiempo que provoca no-deficiencia es el tiempo de cambio de palet. Este tiempodepende evidentemente de la carga del palet, pero por lo general es de segundos.

1.5 Estabilidad térmica

Hasta ahora se han comentado características tecnológicas que afectan directamente a alguno de loselementos de la máquina-herramienta: la Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo dela máquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en común intentar reducir el tiempo de proceso ominimizar los tiempos de no-corte, y por tanto se necesita además potencia en los sistemas deaccionamientos.

Desgraciadamente esta potencia extra también provoca cantidad de calor extra que puede provocarreducciones en la vida de los elementos mecánicos, así como falta de precisión. Por ello es de vitalimportancia extraer el calor generado en las máquinas de alta velocidad.

Evidentemente cada día se construyen sistemas más eficientes donde las pérdidas de calor se minimizan,pero estos avances afectan más a los sistemas electrónicos que a los mecánicos, donde la fricción y lasfuerzas de inercia siempre suponen generación calorífica.

Se verá en los siguientes apartados que la generación de calor afecta a todos los sistemas mecánicos.

1.5.1 Cabezal

En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades de corte es necesario aumentar lavelocidad de angular de los cabezales. Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -quetendrá también que girar a más revoluciones - o al sistema de transmisión, que tendrá que multiplicar aúnmás 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 cabezalque deberán ser dimensionados de acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que debendesarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecánica de los rodamientos es proporcional a su diámetro, peroun diámetro mayor también provoca una mayor fuerza centrífuga y generación de calor, reduciendo así lavida de los rodamientos.

Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el proceso de mecanizado y una vida útilrazonable 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 deleje 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 precisionesen el eje Z de menos de 0,010 mm. (como en moldes de inyección de plástico de precisión) y supone uno delos campos de estudio más importante para los ingenieros de diseño de la máquina-herramienta.

1.5.2 Sistema de accionamientos

El sistema de accionamientos resulta también afectado para la generación de calor. Para conseguirvelocidades 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 tieneneficiencias muy elevadas) que se pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la máquina.



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Pero el elemento más crítico es el husillo de bolas. Este se calienta por el calor generado en la hembraaunque se trate básicamente de un proceso de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas yhembra. Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas afectando su vida y laprecisión dimensional de la máquina.

1.5.3 Estructura

La estructura es un elemento estático, pero también puede recibir calor procedente de diversas fuentes. Unade ellas es el calor generado en los accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conducción ala 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 fuentesinternas de la máquina.

Por último, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el mismo proceso de corte. El mecanizadode alta velocidad basa la protección de la herramienta en que parte del calor generado en el corte se lo llevela viruta. Además muchas veces el corte se ha de hacer con emulsiones refrigerantes que se llevan tambiéngran cantidad de calor. Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto directo con laparte de la estructura de la máquina que configura el área de trabajo, transmitiendo también el calor recibido

para conducción.

1.6 Rigidez – amortiguación

La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformación sobre una carga. Podemos hablar de rigidezestática si el cuerpo recibe la carga constante y de rigidez dinámica si la naturaleza de la carga se frecuencia.En una máquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por tanto los elementos constructivosde 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 ysistemas de utillajes. También en menor medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporcionesde 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 dealta velocidad las revoluciones del cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm loque supone, teniendo en cuenta que una herramienta integral tiene habitualmente 2 labios, una frecuenciade:

f = (40.000/60)·2 = 1333 Hz.

Es importante a la hora de diseñar las características estructurales de una máquina alejar lo más posible lafrecuencia natural de las frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que, comportan amenudo, roturas de herramienta y acabados superficiales muy pobres.

La amortiguación es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones. Esta absorción de vibraciones sehace 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 elfregamiento 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 lasdeformaciones de la estructura y de los elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales sedeforman, los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la precarga. Laamortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto hace que los parámetros de diseño de loselementos constructivos siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.

Vale la pena profundizar un poco más en las consecuencias físicas de esta dicotomía. Si simplificamos a 1variable y en 1 elemento toda la estructura de la máquina, podemos considerar que la rigidez de toda lacadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de rigidez “k” donde:



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Ecuación 2

Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las vibraciones podemos modelarlos como unfregamiento viscoso con constante de amortiguación “c” donde:

Ecuación 3

La propia masa de la estructura responde a la ecuación:

Ecuación 4

Y finalmente la acción de la herramienta se puede modelar como una fuerza periódica de la forma:

Ecuación 5

De esta manera la ecuación dinámica del sistema es:

Ecuación 6

La solución general de esta ecuación diferencial se obtiene sumando su solución particular con la solucióngeneral de la ecuación homogénea.

Esta última modela la respuesta a un único impulso de vibración. Tiene tres soluciones dependiendo si elvalor de la constante de amortiguación es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente críticode amortiguación “cc”.

Ecuación 7

donde p es la frecuencia angular de la vibración no amortiguada (o sea la frecuencia en el caso que c fuese0) también llamada frecuencia natural del sistema. Esta frecuencia depende nada más de m y k y es portanto una característica propia del sistema.

Así pues:

1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobre amortiguación, y la solución general es:

Ecuación 8

donde λ1 y λ2 son soluciones reales de la ecuación homogénea. La solución corresponde a un movimiento novibratorio, 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.



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3. Si c<cc la solución es una ecuación del tipo:

Ecuación 10

donde:

Ecuación 11

que es la frecuencia angular de la vibración amortiguada. Nótese que siempre, cuando c>0, q es más grandeque la frecuencia de la vibración no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguación . Estasolución representa un movimiento vibratorio con amplitud decreciente que se amortigua más deprisa cuantomás 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:



30

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 lafrecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural del sistema

• c/cc, que ya ha sido denominado llamado factor de amortiguación

Dibujando un gráfico del factor de amplificación en relación a ω /p y c/cc (figura 2) se observa que si ω=p lamáquina entra en resonancia. Esta situación es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones queproducen 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 deamplificación.

• 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. Estosdos 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 cadasistema también en diferentes direcciones. En general, las frecuencias naturales se compruebanexperimentalmente después de fabricar la máquina.

Lo más importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y la amortiguación de la máquina conel fin de conseguir máquinas precisas y con buena respuesta que, además amortigüen, las vibraciones decorte.

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 explicarque formas se puede conseguir.

Este apartado limitará al estudio de los centros de mecanizado, tanto verticales como horizontales de 3 ejes.



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2.1 Materiales de construcción

Básicamente las estructuras y elementos de las máquinas se han hecho siempre de fundición gris, con todassus variantes de composición y por tanto de calidad. Hoy en día existen los materiales polímeros quemejoran 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 paradisminuir el peso y mejorar así la respuesta dinámica. Intentamos en este apartado analizar las ventajas y losinconvenientes de todas estas soluciones.

2.1.1 Fundición

La fundición gris es el material más utilizado en la construcción de estructuras y elementos de las máquinasherramienta. 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 imitanla forma final del elemento de fundición en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta formando loque será el molde de la fundición. Se extraen entonces las maderas interiores y se llena de la fundición. Unavez la fundición se solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y limpiando lasuperficie.

La fundición entonces pasa a una fase de estabilización necesaria para que una vez el elemento de laestructura esté montado su deformación sea mínima. Esta fase de estabilización es muy importante encuanto más precisión necesita la máquina.

La empresa americana Moore, líder en fabricación de rectificadores en coordenadas de alta precisión, hacedescansar las estructuras de fundición más de un año al aire libre para estabilizarlas. Además mantiene unapolítica de recuperación de las estructuras con sus clientes que le hace fabricar nuevas máquinas contecnología de control numérico y electrónica de última generación aprovechando la estructura de unamáquina con 10, 15 o 20 años. Después de todo este tiempo la estabilidad de la estructura está másasegurada.

Los elementos de fundición son posteriormente mecanizado s para conformar las zonas de unión entre losdiferentes elementos estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos. Lamaquinabilidad de la fundición hace fáciles estas operaciones.

2.1.2 Estructuras soldadas

La solución de la fundición es demasiado cara para la construcción de máquinas especiales de más bajaproducción para la amortización de los moldes de fundición. En estos casos se elige una soluciónconstructiva a base de elementos de acero soldados. El diseño y fabricación de las estructuras se transformaentonces en simple y flexible.

Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables en máquinas de precisión. Laestabilidad y predicción de los elementos soldados bajo cargas mecánicas y térmicas son difíciles debido a lapresencia 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 lasde 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 dedesbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan ser amortiguadas para asegurar laestabilidad del proceso.

Una solución parcial al problema de la baja amortiguación es llenar las estructuras de acero soldado conhormigón. Esto le da capacidad de amortiguación. Es importante mantener siempre el contacto entre el aceroy el hormigón para no perder capacidad de amortiguación. Se utilizan en estos casos aceros con relieve (alestilo de las barras de construcción para el hormigón armado) y se intenta vibrar el hormigón para que lleneperfectamente todo los volúmenes, aumentando así la zona de contacto acero-hormigón.



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En esta solución la estabilidad térmica es fundamental, por el hecho de que el acero y el hormigón tienencoeficientes de expansión térmica diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorción devibraciones puede ser también distinta.

2.1.3 Materiales políméricos

Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.

Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de la máquina-herramienta. Laventaja fundamental respecto a la fundición es su capacidad de absorción de vibraciones, que es unas 10veces superior. A continuación se presenta un gráfico que compara esta característica en la fundición y en unmaterial 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 característicaselásticas y resistentes no lo hacen, pero no es aconsejable para la construcción de elementos sometidos aaltas cargas de compresión, tracción y flexión. A continuación se presenta una tabla con las propiedadesmecánicas de este material comparado con las de la fundición gris.

Propiedades Fundición gris Polímero

Módulo de elasticidad E (kg/mm2) 12.600 4.200Resistencia a la tracción (kg/mm2) 35 2,5

Resistencia a la compresión (kg/mm2) 105 13

Coeficiente de dilatación térmica (µm/ºCm) 12 12,1

Conductividad térmica (W/ºCm) 2.286 160

Densidad (g/cm3) 7,2 2,3

Amortiguación Normal Muy alto

Maquinabilidad Normal Baja

Tabla 4.- Propiedades mecánicas del Metalquartz comparadas con las de la fundición gris

Véase que, en elementos con esfuerzos, la fundición sigue siendo el material con más garantías.

Hay que destacar el coeficiente térmico de expansión, ya que en los materiales políméricos es prácticamenteidéntico al de la fundición. Esta característica evita problemas mecánicos y de precisión en las unionesfundición-polímero, lo que hace a los materiales políméricos ideales para ser combinados con la fundición ydar así más capacidad de absorción de vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra unejemplo de una base de una máquina hecha con polímero.



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Fig. 5.- Base de una máquina tipo puente construida con material polimérico

2.2 Estructura

La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y amortiguación a las vibraciones, a la vez quecondiciona la precisión y la estabilidad térmica. Además ha de facilitar la carga y descarga de la pieza, enaras de la ergonomía para el operador.

2.2.1 Parámetros de diseño

Las máquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado, requieren de una gran rigidez y unaelevada respuesta dinámica.

La rigidez es función de los materiales utilizados en la construcción, de la estructura interna o de losenervados 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, laestructura interna de los elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios que loconforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el peso, siempre importante para la respuestadinámica, y el por precio/kg. de la fundición. Estas estructuras enervadas se diseñan con la ayuda demétodos 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 deguía, y las mínimas distancias entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de trabajo.Los problemas de rigidez más importantes en una máquina-herramienta son debidos a los esfuerzos deflexión o torsión, más que a los de compresión o tracción.



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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 demecanizado tipo C, la distancia entre las guías del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre lasguías. 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. Estasconsideraciones se pueden hacer sobre todos los demás elementos estructurales de la máquina, con losmismos resultados pero diferentes conceptos.

2.2.2 Guías

Los componentes de guía son fundamentales en la dicotomía rigidez-amortiguación de una máquina.

Las guías son el único elemento de discontinuidad en el sistema estructural de la máquina y, por tanto,suponen uno de los puntos débiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad puededotar 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 guíasde fricción hidrostáticas.



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2.2.2.1 Guías de fricción hidrodinámicas

Las guías de fricción hidrodinámicas eran las únicas guías comúnmente utilizadas hasta hace 10 años. Setrata de dos superficies planas o inclinadas, rectificadas y tratadas térmicamente para aumentar la durezasuperficial, que incorporan una película intermedia de aceite para mejorar el deslizamiento. Las superficiespueden ser rasqueteadas dependiendo de la precisión geométrica requerida, y una de las superficies lleva unrecubrimiento 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 desgasteestos planos inclinados pueden reajustarse, pero las guías hidrodinámicas tienen una vida limitada a 10-12años, 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 deamortiguación es proporcional a la superficie de contacto. Esta característica las hace ideales paraaplicaciones 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 decorte.

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 almovimiento, por lo que es necesario un motor más grande que con otros sistemas para conseguir las mismasaceleraciones y movimientos en rápido.



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Además, se produce un efecto de “stick-slip ” debido a la diferencia de valor del coeficiente estático ydinámico de fricción. Cuando la máquina se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la fricción delsistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se producen constantes cambios desentido en los ejes, ya que se presenta una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza amoverse y después de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip ” o pegar-deslizar. Este efecto no favorece,en principio, a las máquinas que deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.

2.2.2.2 Guías de rodadura

Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El elemento fijo montaunas guías rectificadas con unas superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un circuitocontenido en un bloque precargado y que se fija al elemento móvil de la máquina. Para cada guía se montaun mínimo de dos bloques. Cuanto más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá que montar. Estasguías no necesitan ajuste, y su vida es presumiblemente mayor que la de las guías hidrodinámicas, si bienno 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 derodadura 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 lacapacidad de absorción de las vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de fricción es mucho másbajo y, se pueden conseguir respuestas dinámicas más cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.

Estas guías son hoy en día la solución casi exclusiva a las máquinas de producción que requierenaceleraciones y velocidades muy elevadas para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo semuestra el centro de mecanizado vertical de la fotografía siguiente. Este centro tiene movimientos en rápidode 40 m/min, y está destinado básicamente a la producción de pequeñas piezas de aluminio prefundido.

Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la producción de piezas. Todas las guíasson de rodadura



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2.3 Ejes

La cadena cinemática de los ejes está formada por el soporte del motor, la unión motor-husillo, losrodamientos de soporte del husillo a bolas, el mismo husillo de bolas y la unión con el carro del eje. Estesistema determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión de posicionamiento, junto alservomotor de mando y el sistema de captación de posición.

2.3.1

Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque son las primeras en transmitir el pardel motor. Las uniones pueden ser básicamente directas o indirectas.

2.3.1.1 Uniones indirectas

Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el motor y el husillo a bolas. Estasolución se adopta básicamente para problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar elpar 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 delsistema 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 evacuarcon tanta urgencia el calor que genera.

2.3.1.2 Uniones directas

Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos del husillo y del eje del motor. Estasuniones pueden tener diferentes grados de rigidez.

Las uniones más rígidas son simplemente una pieza sólida de acero. Éstas proporcionan mucha precisión,pero obligan a un montaje muy preciso porque no absorben ninguna desalineación de los ejes motor y husillo.Esta desalineación crea un esfuerzo cíclico, que puede producir la rotura de alguno de los ejes por fatiga.

Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan cierta flexibilidad radial y axial, peroen cambio tienen mucha rigidez torsional. Éstas son, sin duda, las más utilizadas en las máquinas de altavelocidad.

Fig. 13.- Zona de unión del eje

2.3.2 Husillo de bolas

Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento rotativo del motor en movimiento linealde la hembra del husillo. En la rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por lahembra. Ésta suele ser doble con moldes intermedios que compensan la holgura con las pistas del husillo.



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El paso del husillo es un elemento básico de diseño que determinará el par necesaria para moverdeterminada carga y la velocidad máxima lineal, dada una velocidad máxima angular del motor. La aplicaciónde 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 utilizansistemas 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 elsistema 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 factorque depende del sistema de fijación del husillo.

Básicamente uno de los extremos del husillo puede estar:

• Libre : o sin ningún soporte.• Soportado : con un rodamiento radial que lo fija radialmente pero lo deja libre axialmente.• Fijo : con un juego de 2 o más rodamientos angulares en oposición que lo fijan radial y

axialmente.

En general, las soluciones a las máquinas de alta velocidad son extremos fijo-soportado o fijo-fijo (extremodel motor en primer plano). El factor α para estas soluciones es 2 y 4. La solución fijo - fijo es por tanto lamejor 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 surigidez. Pensemos que el diámetro no se puede aumentar indiscriminadamente, porque en los montajeshorizontales un peso excesivo hace tambalear el husillo lo que puede provocar vibraciones al sistema por la

rotación de la masa desequilibrada.

2.4 Cabezal

El cabezal es el corazón de la máquina-herramienta. El diseño de la máquina depende de la capacidad delcabezal, o sea de la velocidad angular máxima, la potencia, y el par que necesitamos desarrollar para unaaplicación determinada. Como ya se ha visto en el apartado 1, el diseño del cabezal es un continuocompromiso 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 mejorrendimiento en la aplicación sometida a estudio. Para aplicaciones de taladrado y roscado habrá queoptimizar 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 sedetermina mediante:

Ecuación 19

O sea que depende de la rigidez y de la velocidad que se desee obtener. Para que la vida de losrodamientos sea adecuada, este número ha de ser menor al valor DNconstructivo, que se determina según eltipo de jaula, tipos de bola, precisión y lubricación del cabezal. Por tanto:

Ecuación 20



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Por tanto, dada una aplicación y las características del rodamiento, las revoluciones máximas del cabezaldependen fundamentalmente del tipo de lubricación de sus rodamientos.

Lo más importante de la relación DN funcional es que ejemplariza la dicotomía entre la velocidad y la potenciadel cabezal. Veremos cómo los requerimientos de las aplicaciones son casi siempre imposibles de diseñarcon un coste razonable y, por tanto, la capacidad de la máquina está también casi siempre limitada por lascaracterísticas del cabezal.

Antes de hablar de los diferentes tipos de cabezal es preciso desarrollar algunas consideraciones quedeterminarán el uso de los mismos.

2.4.1 Rodamientos

Las características mecánicas de un cabezal están determinadas por las de los rodamientos.

No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la precarga con los que losrodamientos sean montados. En la parte frontal del cabezal se montan en oposición uno o más pares derodamientos de bolas de contacto angular (normalmente 30º) precargados. Estos tendrán que situarse lomás 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 uncierto movimiento axial cuando se alarga el rotor para el incremento de temperatura. En la figura 14 semuestra un ejemplo de cabezal para máquina-herramienta. La transmisión de potencia se hace medianterueda dentada (en color verde en el gráfico).

Los materiales utilizados en la construcción del cabezal también son importantes. La solución clásica secompone del cabezal con jaula y bolas de acero, mientras que más modernamente se montan rodamientoshíbridos que se componen de jaula de acero y bolas de nitruro de silicio. Estas nuevas bolas mejoran lascaracterísticas según las siguientes características:

• Mayor módulo de elasticidad E: La deformación de las bolas bajo carga es menor que en las bolasde acero por lo que mejoraremos la rigidez del cabezal.• Más dureza: Las bolas de nitruro de silicio se desgastan menos, disminuyendo a la vez laspartículas de contaminación que se desprenden de su superficie y aumentando así la vida del rodamiento.• Menor coeficiente de dilatación térmica: que estabiliza el tamaño y por tanto la precarga delrodamiento cuando aumenta la temperatura del cabezal. Un exceso de precarga puede producir el falloprematuro de los rodamientos.• Menor masa: La densidad específica del nitruro de silicio es menor que la del acero. Así disminuyenlas fuerzas centrífugas que generan las bolas contra la jaula exterior disminuyendo también la generación decalor. Otra solución es la adopción de bolas de acero pero de tamaño más pequeño. Estas disminuyen larigidez total del rodamiento.

Fig. 14.- Montaje típico de un cabezal de transmisión para engranajes



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Todas estas consideraciones permiten afirmar que los rodamientos híbridos tienen una mejor relaciónpotencia / revoluciones. Pero estos rodamientos son más frágiles y tienen, por tanto, más posibilidades dedestrucción instantánea que los rodamientos de bolas de acero, especialmente en aplicaciones donde losesfuerzos de corte más se parecen a percusiones.

2.4.2 Método de lubricación

El método de lubricación es, como se comprueba en la relación DN, decisivo a la hora de diseñar un cabezal.Para un cabezal de revoluciones determinadas, el tamaño de los rodamientos, y por tanto su rigidez, vienedeterminada por la lubricación de los mismos.

Para todas las aplicaciones de mecanizado convencional, y para las aplicaciones de alta velocidad donde lasexigencias de velocidad angular del cabezal sean pequeñas, la lubricación con grasa es suficiente. Estalubricación es permanente, y por tanto sólo se realiza en el montaje de los rodamientos. Proporciona unagran fiabilidad, sencillez de construcción y un bajo coste de producción. Este es por tanto el método que seaplica 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 desprendersede 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 laaplicación de aceite lubricante vaporizado en aire, que es el vehículo de transporte del aceite. Estavaporización de aceite se realiza directamente a las jaulas de los rodamientos. El sistema permite llegar avalores de DNconstructivo del orden del 20 al 30% más grandes que con la grasa permanente, y por tantoaumentar 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 deestos sistemas deja de funcionar el fallo es inmediato. Por tanto, hay que utilizar sistemas sensoriales decontrol 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 dealta velocidad. En el apartado 3 se hablará de uno de ellos.

2.4.3 Generación de calor

El calor es la principal causa de fallo de los cabezales de alta velocidad, y es uno de los puntos de estudiomás importantes en el desarrollo futuro de los centros de mecanizado de alta velocidad. En el apartado 2.6se realiza un estudio más profundo de la generación, los problemas y la evacuación del calor en el cabezal.

2.4.4 Fuerza de sujeción

La rigidez del cabezal no se podría valorar por completo si no se tuviesen en cuenta los tipos de interfasecon la herramienta de corte y su sujeción. La rigidez del conjunto herramienta-porta herramienta-cabezaldeterminará la capacidad de corte del cabezal.

En el mecanizado tradicional se han utilizado casi siempre fijaciones BT (o similares) para fijar elportaherramientas al cabezal. En el mecanizado de alta velocidad de más de 12.000-15.000 rpm, o enaquéllas 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 delsistema 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 latabla 5 se comparan ambos sistemas.



41

Fig. 15.- Esquema comparativo entre una interfase ISO 50 y un HSK-A100

ISO 50 HSK-A100

Rigidez Normal5 veces mayor debido al contactofrontal

Repetibilidad medida a 180 mm del cabezal 12 µm 3 µmLongitud 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 elcaso del BT, la toma por fuera y, por tanto, con la fuerza centrífuga tiende a aflojarse. Mientras que el HSK latoma por dentro y, en estas mismas condiciones, la fija todavía más fuerte.

En las figuras 16 y 17 se puede ver el aspecto físico de una sujeción HSK y un esquema de montaje con la

pinza con fijación interior.

Fig. 16.- Aspecto físico de un cabezal coninterfase HSK

Fig. 17.- Esquema de un cabezal con interfase HSK-A100donde se muestra la pinza de fijación

2.4.5 Tipos de cabezales

Con estas consideraciones se está ya en condiciones de introducirse de lleno en el estudio de los distintostipos de cabezales y valorar su aplicación en diferentes campos de la alta velocidad.2.4.5.1 Cabezal contransmisión de engranajes



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Este tipo de cabezal es la evolución de los antiguos cabezales de motor continuo, donde la velocidad secontrolaba variando la relación de las poleas de fricción cónicas. Hoy en día, los motores empleados sonmotores de inducción con control vectorial - en muchos casos con feedback de posición - y las transmisionesestán 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 degamas

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 dosunidades separadas.

Los inconvenientes más destacables son la poca eficiencia (70%), el ruido y las vibraciones generadas en elcorte. 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 abajas revoluciones: o sea un gran par. En algunas condiciones de corte de titanio, por ejemplo, conherramientas de diámetros grandes pueden ser necesarios de 1000 a 2000 Nm.

2.4.5.2 Cabezal con transmisión para correas

Esta construcción del cabezal es probablemente la más utilizada hoy en día en centros de mecanizadoconvencionales. Es fácil de montar, y por tanto muy económica. Además, dependiendo de las correas y larelación de poleas que se instalen, podemos obtener un cabezal con un alto par a bajas revoluciones o uncabezal con velocidades de hasta a 15.000 rpm con un nivel de vibraciones y ruido aceptable para muchasaplicaciones.

El inconveniente de estos sistemas es que, precisamente al ser versátil, ni la potencia a bajas revolucioneses suficiente en las aplicaciones con más requerimientos de par, ni el nivel de vibraciones a altasrevoluciones 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 elmotor y en el cabezal. Pero el punto más débil del cabezal es el rodamiento de suporte posterior: las correasejercen una fuerza radial que limita mucho casos la vida de este rodamiento (figura 19).



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Fig. 19.- Cabezal con transmisión para correas. La fuerza tirante de los correas puede hacer disminuir la vidade los rodamientos posteriores

Este cabezal, con mejoras en la transmisión por correas (para reducir el ruido y las vibraciones) y un montajecon doble rodamiento entre los cuales se sitúa la polea de transmisión (para evitar el fallo), se utiliza todavíaen muchas máquinas resultado de la evolución de otras convencionales para hacer MAV.

2.4.5.3 Cabezal con acoplamiento directo

Este tipo de cabezal elimina las vibraciones y los ruidos de las transmisiones, por lo que se puede llegar avelocidades de hasta a 20.000 rpm con muy buenos acabados superficiales. Como ejemplo podemosmencionar los centros de mecanizado Yasda modelo YBM de fabricación japonesa.

En este montaje el motor debe estar bien equilibrado, y la alineación del motor y el cabezal ha de serexcelente 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 lasvibraciones del motor.

También hay que tener en cuenta el aislamiento térmico del motor y la absorción por parte del acoplamientodel posible alargamiento del eje de éste hacia abajo y las del cabezal hacia arriba. Si no, podrían aparecerfuerzas 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 delcabezal.



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Con todas estas consideraciones, el precio de estos cabezales es relativamente bueno, sobretodo respectoal coste de los cabezales integrados.

2.4.5.4 Cabezal integrado

Éstos son, sin duda alguna, los cabezales más utilizados en las máquinas-herramienta de alta velocidad delmercado actual.

Este concepto integra el motor dentro de la estructura del cabezal, con el fin de evitar cualquier tipo detransmisión y, por tanto, reducir al máximo las vibraciones generadas. En los motores para esta aplicación sevenden el estator y el rotor por separado, con el rotor vacío para integrar los mecanismos del cabezal. Elmotor queda en medio de los rodamientos frontales y posteriores.

Las limitaciones de velocidad de estos cabezales son las de los rodamientos. Se encuentran ejemplos detodas las velocidades y potencias. Sus características de vibración son excelentes (menos de 2 µ pico a picoen muchos casos) y el ruido es mínimo.

Los dos grandes inconvenientes de estos tipos de motor son su precio y la evacuación del calor generadopor el motor.

El precio de compra es elevado por la complejidad del montaje, aunque cuando se extienda todavía más, losprecios de los motores vacíos deberían bajar. También es costosa la reparación del cabezal, porque cuandoaparece un problema en el cabezal (rodamientos) o en el motor la consecuencia es la misma: hay quesustituir todo el conjunto. Esta característica obliga a los fabricantes a tener un servicio de reposición deestos 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, hayque extraer el calor del estator del motor, aumentando la potencia refrigeradora y haciendo los circuitos máscomplejos. Además, en los cabezales de inducción los rotores generan mucho calor en la chapa apilada, quese transmite directamente al eje rotativo del cabezal. Por tanto, el gradiente es todavía más difícil decontrolar.

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 laimposibilidad 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 pararégimen elevado. Es como si se cambiara el motor dependiendo de las revoluciones de trabajo. Este cambiose controla electrónicamente, y se realiza por tanto de forma dinámica.



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2.5 Elementos auxiliares en el mecanizado

Estos elementos no determinan, generalmente, el diseño estructural de la máquina pero, para obtener unresultado óptimo, son tan importantes como el resto de características. El diseño de estos sistemas ha deasegurar el correcto funcionamiento de una máquina en ciclos de trabajo exigentes, minimizando a la vez lostiempos de no-corte (sobretodo en las aplicaciones de producción de piezas).

2.5.1 Cambio automático de herramienta

Con el cambio automático de herramientas se dota a la máquina de independencia respecto a la presenciadel 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 deherramienta son despreciables. En cambio, en aplicaciones de producción donde las operaciones de cadauna de las herramientas no supera en muchos casos los 10 s, un cambio de herramienta de 8 s supondríauna relación insoportable.

En el primer caso las soluciones adoptadas son múltiples, pero siempre sencillas. En la figura 22 se presentala fotografía de un cambiador tipo paraguas. Éste mueve todo el almacén hacia el cabezal y aprovecha elmovimiento 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 sonla invasión de la zona de trabajo por las herramientas y la posibilidad de ensuciar los portaherramientas conel 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 mismopara poder seleccionar la herramienta del almacén antes de ejecutar el cambio de herramienta. Esteelemento intermedio incorpora además un brazo, que a menudo es accionado mediante una leva mecánicaque ejecuta las acciones con un solo movimiento rotativo. Estos sistemas de leva mejoran la fiabilidad y larapidez 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 tambiénestán expuestas a las virutas del mecanizado.



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Fig. 23.- Cambio de herramienta en un centro vertical

En otras configuraciones, este cambio es aislado por una puerta. Estos sistemas se utilizan cuando dos delos ejes se sitúan bajo el cabezal, como por ejemplo en el centro horizontal de la siguiente fotografía.

Fig. 24.- Centro de mecanizado horizontal con dos de los ejes situados debajo del cabezal, y donde el que el

cambio de herramienta se encuentra aislado por una puerta

2.5.2 Cambio automático de palets

El cambio automático de palets intenta dar autonomía a la máquina e integrar el tiempo de preparación de lapieza en el tiempo de mecanizado. Mientras uno de los palets está dentro la zona de trabajo el otro estáfuera, 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 cambiadorrotativo.

En el cambiador paralelo la tabla realiza un movimiento de traslación entre las operaciones de carga ydescarga. Por tanto, el cambio se compone de tres movimientos básicos. Este tipo de cambiador se utilizasobretodo en centros verticales, cuando el cambio de palets sea lateral (para no ocupar el lugar deloperador). También se utiliza en centros horizontales con el eje X bajo la tabla. En ningún caso se trata de uncambio rápido. Ver la figura 25 como ejemplo.



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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 queengancha los dos palets y le intercambia las posiciones. Este cambio es mucho más rápido y mas adecuado

en aplicaciones donde sea preciso reducir mucho el tiempo de no-corte (sobretodo si el ciclo de mecanizadopor palet es pequeño). En las figuras 26 y 27 se presentan dos soluciones de este tipo para centro demecanizado vertical y horizontal.

Figs. 26 y 27.- Cambiadores de palets rotativos para centro de mecanizado vertical (arriba) y horizontal(izquierda)

2.5.3 Evacuación de la viruta y refrigeración del corte

Los altos rendimientos de corte que se han visto se pueden conseguir con el mecanizado de alta velocidad,tienen que ser asegurados por sistemas de extracción de la cantidad de viruta que se extrae y mejorados conbuenos 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 materialcompacto, que se pueden convertir en 20 o 30 litros de viruta. Si el sistema de extracción de viruta no escapaz de extraer el mismo caudal de viruta, ésta se acumulará en la zona de trabajo imposibilitando, antes odespués, el trabajo. En cambio, en el caso de mecanizado de figuras 3D de pequeñas dimensiones, puedeque 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 virutaademás de cumplir su objetivo de enfriar el corte. Las chapas de la zona de trabajo deben ser entoncesdiseñadas para evitar las acumulaciones de taladrina. Así pues, en las zonas con este peligro hay queproyectar chorros de taladrina para evacuarla.



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2.6 Control térmico y evacuación del calor

A lo largo del apartado 2 se ha hecho referencia a la generación de calor de los sistemas de la máquina-herramienta, y entreviendo algunos de los sistemas de evacuación que se utilizan. En este apartado sedesea realizar un compendio de todos estos focos de calor con el fin de destacar la importancia de suevacuación.

Uno de los conceptos más importantes en algunas de las aplicaciones que utilizan la tecnología delmecanizado 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 cuerpoy α el coeficiente de dilatación térmica del material del cuerpo, de esta relación se pueden extraer lassiguientes conclusiones: la dilatación térmica depende de la característica propia del material α.

Para los materiales mas utilizados en construcción:

αfundición = 12,1 µ /ºCm

αpolímero = 12 µ /ºCm

αacero = 11,7 µ /ºCm

Por este motivo se suelen utilizar combinaciones de fundición y hormigón polimérico.

La variación de longitud del cuerpo depende también de su dimensión inicial L. Por lo tanto, es importantehacer las estructuras lo más compactas posible. Visto de otra manera, las máquinas no deberían sersobredimensionadas, 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 de1 o 2 ºC los sistemas de la máquina. Esto obliga a mantener estos sistemas termoestables, y a mantener latemperatura ambiente también constante (±0,5 ºC).

Una buena medida del comportamiento termodinámico de un sistema es la evaluación de su eficiencia. Laenergía perdida se transforma en deformaciones o calor. Todas estas consideraciones obligan a ponerespecial atención a la termodinámica de cada uno de los sistemas de la máquina, con el fin de elegir el mejorsistema de evacuación.

2.6.1 Motores de los ejes

El calor generado en el motor es proporcional a las aceleraciones que se desee obtener. Este calor se podríatransmitir al soporte y al husillo de bolas. Por tanto, sobretodo en las máquinas con altas aceleraciones, hayque evacuar este calor. Los fabricantes de servomotores no integran, hoy por hoy, sistemas de evacuaciónde calor como estándar, pero algunos fabricantes de máquinas montan sistemas de convección forzada(ventiladores).

Siempre que se evacua el calor de un sistema hay que intentar no dirigirlo hacia otro. Por eso a veces esdifícil la aplicación de estos ventiladores en algunos motores. Algunos fabricantes piensan en este factor porel diseño de la estructura de la máquina.

2.6.2 Husillo de bolas

El calor generado en el husillo de bolas se produce básicamente en la fricción de la rosca del husillo y en lahembra de bolas. Como en el caso del motor, cuanta más alta respuesta dinámica se requiera del sistema

más elevada es la generación de calor.



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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 elrotor. Desgraciadamente, los sistemas de refrigeración afectan al estator del cabezal (por razonesobviamente tecnológicas) y, en menor medida, a las bolas de los rodamientos (el aceite vaporizado por elaire puede, además de lubricar, refrigerar esta zona). Este enfriamiento exterior, siendo necesario, provocauna diferenciación térmica entre la jaula interior y exterior del rodamiento que hace aumentar la precarga. Siésta no se controla se puede provocar un aumento descontrolado del calor generado y la destrucción final delos rodamientos.

A la hora de estudiar los sistemas de evacuación de calor en los cabezales de las máquinas-herramienta dealta velocidad hay que tener en cuenta que este sistema tiene una variación muy importante de calorgenerado en función de la velocidad de trabajo del cabezal. En muchas de las aplicaciones los cambios deherramienta son continuos, a cada herramienta le corresponde una velocidad de trabajo y, por tanto, unageneración 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 queelegir un sistema de refrigeración que independice la temperatura ambiente de la regulación de latemperatura del circuito del cabezal. Éste ha de tener, por tanto, otro circuito de gas con compresor quepueda responder con rapidez a estos cambios de calor generados por el cabezal. En la figura 29 se presentaun esquema de refrigeración de un cabezal integrado.

Por tanto, hay que dimensionar el refrigerador para que el sistema tenga la menor constante de tiempoposible. Es decir: para que vuelva a una temperatura “estable” tras un cambio de velocidad, de la forma másrápida posible. Además, este dimensionamiento ayudará también a obtener un rizado de la temperaturamínimo cuando el cabezal mantenga la velocidad.

Aunque estos sistemas evacuen el calor con mucha rapidez, nunca se podría tener un sistemasuficientemente grande como para mantener totalmente constante la temperatura del cabezal a cualquiervelocidad. Este es el motivo por el cual muchos fabricantes compensan la dilatación del eje Z dependiendode la ∆T y de la constante de tiempo del sistema de refrigeración, con tal de mantener la precisión del eje Z.Esta función es especialmente importante en la producción de moldes de precisión con figuras 3D.

En la figura 30 se presenta la característica exponencial de la dilatación del eje Z en un cabezal integrado

pasando de 0 a 14.000 rpm. La constante de tiempo de este cabezal es de unos 6 min. En la figura 31 semuestra la característica de variación del eje Z con velocidad constante.



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Fig. 30.- Gráfico de dilatación del cabezal enfunción del tiempo, cuando pasamosinstantáneamente de 0 a 14.000 rpm en el cabezalintegral de un centro de mecanizado de altorendimiento

Fig. 31. - Rizado de la dilatación del eje Z respecto altiempo, debido a la compensación térmica constantea la que está sometido el cabezal. Los valores depico son 0,003 mm

2.6.4 Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte

En general las estructuras de las máquinas envuelven o suportan la zona de trabajo. En esta zona seproduce una gran cantidad de calor, cuya mayor parte se transmite a las virutas y al líquido refrigerante encaso que se utilice.

Estos dos elementos caen en las zonas laterales de la mesa de trabajo, transmitiendo su calor a loselementos de protección de los ejes y a la estructura. Esta aportación de calor localizada genera gradientesde 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 depiezas de precisión, la zona de trabajo tendría que aislarse de la estructura de la máquina con cámaras deaire que hagan de barrera térmica.

2.6.5 Sistemas auxiliares

Otros componentes que deben que ser tenidos en cuenta a la hora de termoestabilizar la estructura de lamáquina son los armarios eléctricos, las centralitas hidráulicas y, en general todos aquellos sistemas quegeneren calor alrededor de la máquina.

A menudo es necesario compactar el volumen de la máquina para facilitar el transporte y obtener el máximorendimiento del suelo industrial. Por eso se suelen enganchar o colgar estos sistemas auxiliares en laestructura de la máquina. Si se hace esto hay que diseñar barreras térmicas entre éstos y la estructura, contal 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 algunasde las aplicaciones del mecanizado por arranque de viruta. A continuación se presentan dos de éstas.

3.1 Hexápodos

Los hexápodos son construcciones de máquinas-herramienta que basan los movimientos del cabezal en 6barras accionadas por servomotores.

Esta construcción es mucho más compleja para soluciones con 3 ejes, porque para describir una línea rectaparalela 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 2movimientos de rotación del cabezal.



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La principal ventaja de este tipo de estructuras es la ligereza de los “carros”, que permiten dinámicas conaceleraciones 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 RenaultAutomation (actualmente parte del grupo Comau)

3.2 Mecanizado por láser

En los últimos años la firma alemana Deckel-Maho ha presentado una tecnología que puede sustituir algunasde las aplicaciones actuales de los centros de mecanizado. Se trata del mecanizado por láser, que aportauna 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 acualquier profundidad.

- Al no utilizar herramientas, el operador no debe preocuparse de ruptura alguna, por lo que el proceso puedeser muy fiable. Además, el coste de la operación se mantiene bajo.



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- 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 algunasaplicaciones. De todas formas, el rayo láser extrae muy poco material por unidad de tiempo y, por estemotivo, 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 DeckelDMU 60 L

Fig. 34.- El direccionamento del eje se hace rotando dos planosreflectores. Los sistemas de accionamiento, es por tanto, muysimple

Problemática de las máquinas de arquitectura paralela 1. INTRODUCCIÓN

Las mejoras en el campo de la máquina-herramienta van encaminadas a obtener la máxima libertad demovimientos, con una elevada rigidez y con una mínima masa a desplazar. Es decir, conseguir unas altascaracterísticas dinámicas de máquina. La mejora de dichos aspectos debe llevar, como resultado final, a unamayor velocidad de mecanizado y a una mejor precisión y acabado, conduciendo a un aumento de laproductividad, 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). Dichaestructura 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 norequiere 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 deque cada eje deba soportar carga en todas las direcciones, y deba soportar y mover los ejes que vanmontados sobre él. Esta característica conduce a una alta masa a mover y por lo tanto a unas bajascaracterísticas 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 ejesestán dispuestos de forma paralela (figura 2).



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Fig. 1.- Máquina-herramienta con arquitectura enserie

Fig. 2.- Máquina- herramienta con arquitecturaparalela clásica

El alto coste, principalmente computacional, que requiere controlar las longitudes de los distintos brazos deun mecanismo de estas características hizo que su utilización no se extendiese - salvo en el caso deaplicaciones 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 elconcepto de “Hexápodo”, derivado del tipo de arquitectura paralela utilizada; la base de la máquina seencuentra ligada al cabezal mediante seis brazos, los cuales mediante la variación de su longitud consiguenla 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

Mecanizado de Alta Velocidad: un conjunto de tecnologías nuevas Objetivo: más calidad y reducción del time to market

Entre los objetivos a perseguir una industria metalmecáncia que utilice máquinas-herramienta se encuentran:

• obtener los más altos radios posibles de luminación de material• conseguir tolerancias dimensionales cada vez más estrictas - sobre todo en algunos sectores concretos• conseguir tolerancias de acabado que permitan que los rozamientos y la eficiencia del proceso en el quevaya a estar involucrada la pieza sea lo más rentable y eficaz posible• reducir los tiempos de mecanizado• reducir los costes de uso de las herramientas

Hace tres o cuatro años estos objetivos se perseguían mediante herramientas clásicas, con condiciones demecanizado bastante conservadoras para disminuir esfuerzos en el proceso de copia y evitar

malformaciones, tanto en la herramienta como en la máquina o en la propia pieza. Había que evitarvibraciones para mejorar el acabado superficial. Y evitar sobrecalentamientos. Todo ello requería máquinasrígidas y muy pesadas y tornos térmicamente estables especialmente en mecanizados de muy largaduración y largos tiempos de mecanizado.



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Afortunadamente la investigación en materiales ha permitido desarrollar recubrimientos de herramientas quepermiten aumentar notablemente las velocidades de corte, por lo menos las teóricamente permisibles. Lavelocidad de mecanizado venía limitada por la temperatura, el agotamiento y otros factores. Distintasbibliografías pueden dar valores ligeramente distintos en función del material.

Con nuevos recubrimientos es posible superar las condiciones conservadoras hasta ahora establecidas. Conpoca fuerza de, y teóricamente, y en casos muy concretos, es posible conseguir algunas ventajas. Lasprincipales son:

- Gran volumen de inacción del material por unidad de tiempo

- Mejor calidad superficial

- Fuerzas de corte pequeñas, lo cual permite la realización de mecanizados de piezas de pared delgada,hasta ahora muy difíciles

- Ventaja adicional: las frecuencias de excitación escapan del margen crítico de frecuencias de vibración dela máquina - con lo que disminuye el riesgo de vibraciones y se alterar el transporte del calor, que se canalizaa través de la viruta.

No basta con una nueva herramienta

Para establecer estos requisitos no basta con una herramienta con el recubrimiento necesario o el queaconseje el fabricante, sino que es preciso arropar todo el sistema con distintos elementos que van muchomás allá de la propia herramienta. Es preciso tener muy en cuenta las posibilidades y limitaciones delcabezal de las herramientas, hay que re estudiar el fluido, y la máquina debe ser capaz de responder a lasvelocidad de mecanizado deseada y al perfil objetivo.

En cuanto a los controles numéricos ya no basta con programar cota a cota o con funciones sencillas: lasvelocidades y las dinámicas de las máquinas a considerar requieren funciones especializadas, funciones quepermitan prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en el instante de tiemposiguiente.

Para conseguir tolerancias dimensionales estrictas es preciso controlar muy bien la temperatura, y otorgarmucha mayor atención que hasta ahora a la estrategia del mecanizado. A saber: filo herramienta, geometría,material, proceso que ha de seguir el programa de control numérico. Se pueden obtener grandes ventajas encuanto a la herramienta y el mecanizado atendiendo a la estrategia de mecanizado con mayor detenimientoque hasta ahora.

Nuevo concepto de cabezal

El límite tradicional de los cabezales venía dado por la temperatura alcanzada por los rodamientos.

A lo largo del tiempo se han conseguido algunos logros y avances puntuales, cambiando los recubrimientos

de las pistas de rodadura, utilizando híbridos cerámicos-acero o cambiando las lubricaciones. Recientementehan hecho aparición en el mercado los cojinetes electromagnéticos: ya no hay contacto y, en principio,desaparecen las limitaciones en cuanto al giro (si bien aparecen limitaciones en su excitación) y se consigueuna vida media útil mucho mayor. Es un nuevo concepto

Características de distintos recubrimientos de herramientas

Características TiN TiCN WC/C CrN TiAIN Multicapa TiAIN

Microdureza 2.300 3.000 1.000 1.750 3.000 3.500

Coeficiente de rozamientocontra acero

0,4 0,4 0,2 0,5 0,4 0,4

Temperatura máxima de trabajo 600 400 300 700 800 800



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El elemento que ha posibilitado que estas herramientas puedan trabajar a estas velocidades ha sido elestudio de nuevos materiales. En la figura 3 se muestran los coeficientes de rozamiento de algunos de losrecubrimientos más utilizados en capas aisladas o en capas combinadas. Teniendo en cuenta que elcoeficiente de fricción de acero contra acero está en torno a 0.8 se observa cómo el calor que se puedegenerar a iguales velocidades de corte puede ser bastante más reducido que los tradicionales. Estasventajas también se producen al eliminar o reducir el fluido refrigerante. Sin embargo, hay herramientas quetienen un rango estrecho de utilización óptima.

Cada pieza a mecanizar tiene su conjunto óptimo de recubrimiento de la herramienta, su geometría, el fluidorefrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado. Incluso, debido a las legislacionesmedioambientales, el fluido refrigerante puede ser función del país, pues puede requerir un proceso que nosea viable al no existir procesos alternativos. En definitiva, cada pieza requiere su propio compromiso.

El control numérico debe ser muy rápido. Hay que obtener ciclos por debajo del segundo. Debe tener ciertogrado de previsión (look-ahead), de forma que pueda esperar qué cambios de velocidades, aceleraciones ycotas llegarán en el instante de tiempo posterior, y ello para poder reaccionar con el tiempo suficienteteniendo en cuenta las características dinámicas y la respuesta de la propia máquina.

Otra tendencia que está confirmada ya es la tendencia a controles abiertos, controles en los que el usuariofinal pueda incluir su propio software para el control de temperaturas, de vida de la herramienta, etc.

Estabilidad térmica: clave para mantener las tolerancias

Para conseguir buenas tolerancias dimensionales, especialmente en mecanizados de larga duración, es muyimportante la estabilidad térmica. También hay mecanizados en los que, aunque la duración del propioproceso no sea elevada (por ejemplo en el caso de taladros rápidos para mecanizar una caja) puedentranscurrir pocos minutos pero, sin embargo, requieren una serie muy larga y muy repetitiva en cuanto atolerancias. El control de la temperatura es pues fundamental.

Ventajas del mecanizado de altavelocidad Campo de aplicación Ejemplos

Gran volumen de corte por unidadde tiempo Aleaciones ligeras de metal, acero yfundición Sector aeronáuticoFabricación de moldes ytroqueles

Alta calidad superficial Mecanizado de precisiónPiezas especiales

ÓpticaMecanizado de precisiónsuperficial

Fuerzas de corte pequeñas Mecanizado de piezas de pareddelgada

Sector aeronáuticoSector automóvil

Frecuencias de excitaciónelevadas

No mecanizado en frecuencias críticas Mecánica de precisiónIndustria óptica

Transporte de calor a través de laviruta Mecanizado de piezas con influenciacrítica del calor Mecánica de precisión

Así pues, habrá que procurar la eliminación de las fuentes de distorsión térmica. Tradicionalmente, semantiene la máquina en un entorno de temperatura controlada, pero en ocasiones ello no es posible. Asípues, los fabricantes de máquinas deben de tener en cuenta este factor en sus diseños constructivos,.deforma que las fuentes de calor lo repartan de manera uniforme sin que sea aplicado en puntos concretospara poder compensarlo mucho mas fácilmente.



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Limitaciones de la alta velocidad

Relación del diámetro de las herramientas con la profundidad y la calidad

Relación del diámetro de las herramientas con la velocidad de giro del cabezal. En ocasiones se habla dellegar hasta las 70.000 rpm pero, si se esta trabajando aluminio con ciertos diámetros, haría falta llegar a100.000 rpm, cosa que hoy por hoy la tecnología no permite

El control numérico debe ser tal que pueda prever la trayectoria hacia donde se va para poder establecerestrategias.

El sistema CAM también tiene que ser capaz de realizar estrategias, dado que la mentalidad de la altavelocidad es completamente diferente a la del trazado convencional.

Precio actual de las maquinas

Desde el punto de vista de la estrategia de mecanizado se trata de reducir fuerzas de corte, tiempos demecanizado y mejorar la vida del útil. Y no de factores tales como el ángulo de ataque, simplificación de

perfiles o reducción del número de herramientas a utilizar.

Seguridad redoblada

Existe también un factor añadido: el riesgo que supone una masa moviéndose a muy alta velocidad. Laenergía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad, y ésta resulta ser en la práctica hasta un orden demagnitud superior a la del mecanizado convencional: la energía involucrada en estos procesos es muyelevada. Ello implica protecciones para el usuario que pueden suponer un incremento de coste adicional conrespecto a lo que tradicionalmente se considera una protección (chapa, cristal). Tienen que estar preparadaspara soportar impactos de mayor envergadura (carenados, etc). El control numérico tiene que permitirentradas y salidas rápidas para reaccionar con prontitud. Y las masas en rotación tienen que estarequilibradas con mucho más cuidado.

Cuidado con las comparaciones

La alta velocidad comienza a ocupar cierta parte de mercado de un tipo de aplicaciones hasta ahora cubiertopor la electroerosión, pero el sesgo existente es evidente en muchas de las comparaciones que se realizanentre el MAV y la electroerosión - a menudo en centros financiados con fondos públicos.

Las estimó faltas de rigor por confundir al usuario en la medida en que se presentan como una panacea apartir de conclusiones realizadas sobre situaciones no comparables. Mostró piezas para las cuales unconocedor de la electroerosión nunca consideraría esta tecnología, pero que habían sido usadas parapresentar el mecanizado de alta velocidad un como un 60% más rápido que realizada por electroerosión, conmás razón por cuanto se contabilizaba el tiempo de fabricación de unos taladros.

Características de la electroerosión

Independiente de la dureza de material

Sólo es aplicable a materiales conductores (actualmente en los moldes y las matrices de troquelería sonfabricados con materiales conductores

Necesidad de fabricar un electrodo con la forma a obtener y de hacer un pulido manual (en matrices deforja no hará falta, en un molde, por lo general, si)

Capacidad de mecanizar formas complejas a profundidades importantes. Debido a que no hay esfuerzos

mecánicos, pueden ser formas muy pequeñas, electrodos muy esbeltos y se puede llegar a rinconesinaccesibles hoy por hoy para la alta velocidad.



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Limitaciones de la electroerosión

No se puede conseguir cualquier rugosidad en cualquier superficie. Nosotros podemos decir, muyorgullosos que conseguimos rugosidad VDI0 (0,15 micras RA, pulido espejo), pero no mas allá de 50 mm.de diámetro. Existe una relación directa entre la superficie máxima y la rugosidad mínima.

La electroerosión es un sistema relativamente nuevo de mecanización.

Para mejor ilustrar su argumentación acudió provisionalmente al sentido contrario, mostrando realizacionesimposibles de obtener con la alta velocidad, indicando que sería deshonesto por su parte declarar máseficiente la tecnología de la electroerosión en base a este ejemplo.

Acudió también a la historia reciente ejemplificando sobre la aparición del corte por láser para el que, tras lasmaquinas de electroerosión por hilo, muchos usuarios estimaron que el láser no sobreviviría. No fue así. A laaparición de la electroerosión por hilo se preguntaron por cuál era la mejor. Depende.

Solución: colaboración entre tecnologías de efecto sinérgico

Hay una diversidad de piezas mecanizables por alta velocidad y otras por electroerosión. Y, en muchasocasiones, distintas fases de mecanizado o de acabado pueden ser realizadas con las diferentes tecnologías.Es pues preciso estudiar colaboraciones y avances tecnológicos para evitar que los usuarios tengan queacatar a ciegas la inversión de una maquina de uno u otro tipo. Es preciso realizar estudios comparativos depiezas en las cuales existe competencia entre tecnologías; analizar los aspectos técnicos y económicos deuna tecnología pero sin olvidar ninguno, con el fin de conocer con rigor la inversión necesaria.

Finalmente, es muy posible que existan otros condicionantes ajenos al debate tecnológico. Por ejemplo: eltipo de trabajo que realiza habitualmente la empresa le puede condicionar decisivamente. La alta velocidadpodría ser una buena tecnología para cierto tipo de estampas de forja pero, si es un moldista de formascomplejas podría no resultarle adecuado. También es de gran importancia el tipo de máquinas de quedisponga la empresa y su cartera de pedidos: no parece adecuad una máquina de alta velocidad para tenerlaparada durante mucho rato.

Centros de coste de las máquinas de alta velocidad

Coste (y vida) de las herramientas

Relación entre el diámetro de las herramientas y la velocidad de giro del cabezal. Es un tema importantepara saber hasta donde podemos llegar en los moldes o matrices o estampas de forja.

Coste (y vida) de los cabezales

Coste de la máquina

Centros de coste de las máquinas de electroerosión

Material de los electrodos

Coste de fabricación de los electrodos

Coste total de maquina (más reducido)

Tiempos de mecanización largos

Posible acabado manual



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Y las condiciones económicas, como siempre, son en sí mismas un fuerte condicionante: muy pocasempresas pueden permitirse una inversión del orden de magnitud de varios cientos de miles de dólares.También la dimensión y la seguridad de la cartera de pedidos: con una máquina ocupada 24 horas al díapodría ser rentable, en caso contrario un buen estudio de amortización podría hacer aflorar dudas razonables.

Hablan los moldistas

Los fabricantes de este tipo de utillajes realizan piezas únicas o en series muy limitadas para que susclientes puedan realizar producción en paralelo; cada vez se exige una mayor precisión y acabado superficial,pues las rebabas o brillos en las superficies plásticas suelen ser causados por defectos en el molde;incorporan mecanismos complejos (por ejemplo desenroscados de tuercas), que requieren movimientos dela máquina, pistones o correderas; y el mercado tiene tendencia a exigir una vida útil crecientemente mayor.

La inmensa mayoría de los moldistas mecaniza acero en piezas de tamaño medio, y cuenta con unequipamiento de producción muy diversificado: fresado, electroerosión, recitificado para los mecanismos deaccionamiento y en la última fase de acabado, torneado , con tendencia al desuso por disminuir la demandade moldes redondos; pulido de ajuste; taladrado y refrigeración.

Por lo general, los moldistas emplean fresado de alta velocidad en piezas grandes, y electroerosión en laspequeñas, en razón de la manejabilidad de la pieza pequeña en electroerosión y de la elevada velocidad

relativa de las fresadoras en piezas pequeñas. Una limitación no señalada de la alta velocidad son loselevados niveles de contaminación acústica.

Si bien la alta velocidad no es exclusiva del fresado, sino que existe considerable bibliografía en torneado,recitificado e incluso taladrado, es en fresado donde más se está aplicando al ser la tecnología más potentede la actualidad: de un diseño CAD de geometría compleja a la generación del programa y su transmisión alcontrol numérico obtenemos la superficie deseada. Exigiremos a la alta velocidad que o bien permitaaumentar la calidad en un tiempo de mecanizado igual o inferior, o bien reduzca el tiempo de fabricación eiguale o supere la calidad, todo ello con respecto a la tecnología clásica.

Cuellos de botella: comunicación con el DNC

Es preciso distinguir entre MAV de materiales blandos y MAV de materiales duros. Los moldistas empleanmateriales blandos para electrodos, cobre, grafito y prototipos de moldes (aluminio o resinas plásticas), quetienen una potencia específica de corte baja. También para el acabado de grandes superficies, como porejemplo un parachoques, cuyas formas no suelen ser demasiado complejas (a excepción del Ford Ka).

En esta circunstancia, se podría obtener de la máquina el mayor rendimiento posible. Sin embargo, segúnsea el sistema de cálculo podría deformarse la geometría, al no poder seguir las trayectorias al ritmoimpuesto. Sin embargo, aparece aquí un cuello de botella: la comunicación entre el DNC y la máquina no es,por lo general, suficientemente rápida, por lo que queda afectada la dinámica del conjunto del sistema y elmecanizado puede realizarse a alta velocidad pero la máquina podría estar parada durante la mayor partedel tiempo.

Un atractivo fundamental de la alta velocidad es la posibilidad de mecanizar sobre materiales endurecidos,pero en este caso las limitaciones no proceden de la máquina sino del proceso. El hecho de aumentar lavelocidad exigirá el sacrificio de algún otro parámetro que habrá que compensar de alguna forma. Según lasinvestigaciones llevadas a cabo recientemente, el parámetro más crítico es la pasada radial: la cantidad dediámetro que se fresa. Al reducir la pasada radial se puede aumentar la velocidad y el avance por diente.

Todo ello conduce a la posibilidad de plantearse realmente el paso a la alta velocidad por parte de losmoldistas que realicen el tipo de aplicaciones mencionadas, siempre que se tengan presentes lasconsideraciones de entorno mencionadas. En poco tiempo, por otra parte, podrán también considerar estatecnología para la fabricación de piezas pequeñas, cuyo tiempo de programación es ahora muy elevado.

Finalmente, el desbaste de materiales tanto duros como blandos. En el caso de materiales férricos, lasmáquinas disponen todavía de una confiabilidad insuficiente, por lo que en ocasiones es preciso repetir el

proceso varias veces hasta que la pieza puede darse por buena.



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Herramientas para el "mecanizado de alta velocidad”

Sabemos ya que el mecanizado de alta velocidad (MAV) no se refiere sólo a la máquina, sino a un conjuntode elementos entre los que destaca la herramienta. Es una situación habitual la adquisición de una máquinade alta velocidad en la que, con el mismo programa, la herramienta habitual no soporta las elevadastemperaturas resultantes de incremento de energía cinética resultante.

La alta velocidad no existiría si no fuera por la posibilidad de disponer de herramientas capaces de soportarlas nuevas condiciones de mecanizado al disponer una elevada temperatura de oxidación. La elevadavelocidad de corte permite, en conjunción con los avances por diente

Se han realizado estudios de maquinabilidad en fresado rápido tanto para moldes como para matrices. Losmateriales analizados han sido: 1) herramienta de metal duro recubierta; 2) Cermet y 3) CBN.

El primero resultó ser mejor que el segundo a igualdad de material a mecanizar: velocidad de corte mayorque permiten mayor velocidad de giro y de avance, menores tiempos de mecanizado y mayor vida útil de laherramienta. Se adoptaron dos tipos de recubrimientos: TiCN y TiAlN, y se desestimó el recubrimiento de TiNdebido a su corta vida. La fragilidad de los aceros desaconseja el empleo de CBN, salvo en el caso deaceros extraduros.

Para el caso de las matrices para estampación se recomienda también el metal duro, y se desaconseja elcermet de todo punto. En cambio, el CBN, si bien no es operativo en fundiciones esferoidales, puede serválido para fundiciones laminares como es el GG25, muy empleado por los fabricantes de matrices. Perosólo en el caso de disponer de máquinas de muy altas prestaciones.

También se han realizado ensayos de corte sobre acero para moldes de 40 Hrc con herramientas de cermet,a pesar de no utilizarse para estas aplicaciones (sino cuando se desea evitar la transmisión de calor a lasuperficie a mecanizar, lo que no es el caso). El cermet presentó un comportamiento peor que en lasherramientas recubiertas.

La comparación entre TiCN y TiAlN resultó ser favorable al TiAlN en desgaste y en rugosidad, en lassiguientes condiciones de análisis: 40 Hrc, recubrimiento de enterizas de bola, diámetro 12 mm, velocidad de

corte de 250 m/min, velocidad media de avance de 3.500 mm/min, ancho de corte de 0,2 mm de profundidady 0,4 mm de anchura y un mecanizado equivalente a un área de 700 x 700 mm sin cambio de la herramienta.

En cambio, sobre material GG25 para matrices a 200 m/min el TiCN resultó ser algo mejor en desgaste deherramienta y calidad de la superficie mecanizada.

Nuevas estructuras para nuevas máquinas

Durante más de 50 años se ha utilizado el fundido. Los cálculos estructurales han sido, hasta ahora,patrimonio de la arquitectura y de la ingeniería civil, pero la exigencia de nuestro tiempo, la reducción de lostiempos, precisa de masas pequeñas que permitan elevadas aceleraciones.

Reducir la masa: sustituir bancadas y columnas por estructuras formadas mediante barras biarticuladasunidas mediante por nudos , que son los que soportan la carga. La masa se reduce en un orden de magnitud.

Preferencias por la electroerosión en comparación con elMecanizado de Alta Velocidad

RESUMEN:

El mecanizado de alta velocidad (MAV) es uno de los temas favoritos en las discusiones actuales sobre lastecnologías 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 todaslas demandas de todas las aplicaciones, y deben ser confrontados con alternativas.



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Esta contribución presenta una comparación objetiva entre el mecanizado de alta velocidad y laelectroerosión, en términos de sus capacidades técnicas, económicas y ecológicas, con el fin de ayudar a losinversores a encontrar una base de decisión fiable. Se propondrá una pieza de referencia típica paraevidenciar las aplicaciones características para la electroerosión, en comparación con las referenciasexistentes para mecanizado de alta velocidad.

1. TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN DE HERRAMIENTAS

Las herramientas para formar “piezas en forma de red” en un único paso de fabricación, como por ejemplo el“moldeado por inyección”, “estampación con matriz”, “moldeado por inyección de metal” y otras se estánconvirtiendo en las tecnologías de producción claves. Para que las herramientas de mecanizado seanefectivas en comparación con otras tecnologías, se necesita una mayor flexibilidad para el cambio, sistemasde cambio más rápidos, producción de series cortas a bajo coste y – lo más importante – una excelenteorganización y velocidad en la fabricación de herramientas dedicadas e innovadoras. Sería ideal que lasherramientas utilizadas duraran con facilidad lo suficiente para producir series cortas y medias, y quemantuvieran la precisión en las secciones delicadas, gracias a un bajo desgaste. Esto implica realizarherramientas de materiales ultraduros.

Desde hace varios años los investigadores de producción mecánica trabajan intensamente en la optimizacióndel 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 paraaplicaciones prácticas y desde entonces ha crecido hasta adoptar la posición de tecnología común y bienaceptada en los talleres de fabricación de herramientas y utillajes. Tanto la versión de electroerosión porpenetración, cómo la electroerosión por hilo están bien introducidas y se aplican con normalidad. Suinconveniente es la complejidad inherente a esta tecnología. Dado que la formación profesional enelectroerosión se ofrece en contadas ocasiones, en la mayoría de los talleres estos procesos se aplican apartir 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 ytanto su enseñanza como su documentación son mejores. El arranque de material ha recibido un nuevoimpulso y ha ganado interés desde la introducción del MAV (Mecanizado de Alta Velocidad).

2. DESARROLLOS EN FRESADO DE ALTA VELOCIDAD

Desde que los ajustes utilizados para el rectificado (alta velocidad de corte, tamaño de viruta pequeño, mayorángulo 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 dematerial incrementada y, además, ganando en un acabado superficial muy fino. Las herramientas usadas, sinembargo, necesitan ser fabricadas a partir de los materiales con mayor resistencia al desgaste, como elcarburo de tungsteno, por ejemplo. Estas herramientas muestran un riesgo de daño mayor y un tiempo devida más corto. El fresado de alta velocidad requiere una planificación más cuidadosa y una mejororientación del ángulo de mecanizado en relación a la superficie, para conseguir la alta velocidad de corte enla periferia de la herramienta, mientras que el centro de rotación tiene velocidad nula. También haylimitaciones de diseño respecto al husillo. Velocidades de 18.000 a 25.000 rpm son comunes, pero al usarherramientas 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 devibraciones, y con guías y actuadores rápidos. La variación del ángulo de mecanizado es posible sólo enmáquinas que llegan a tener 7 ejes programados. Ello requiere de CNC especiales, y de largos ciclos deprogramación y comprobación de ausencia de colisiones. Durante el procesado, en una situación ideal semonitorizan el desgaste de la herramienta y las fuerzas de corte. Las figuras 1 a 3 ofrecen una vista deconjunto de las aplicaciones tecnológicas. La figura 4 muestra dos piezas de referencia propuestas enAlemania.



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Ajustes tecnológicos del fresado en 3 dimensiones

Fresado en 3 ejes siguiendo líneas

Inclinando la herramienta de corte a AV para evitarvelocidades de corte nulas se incrementa laprecaución necesaria contra las colisiones

Alternativas de movimiento de la herramienta enrelación a la pieza a mecanizar

• Rotación en dirección del avance o endirección contraria

• Remolque o presión de la herramienta

Fresado en 3 ejes circunferencial

Fig. 1.- Algunas influencias tecnológicas al emplear fresado de AV

Mecanizado de Alta Velocidad: ejemplos típicos La viruta transporta el calor gracias a un ángulo de cizallamiento elevado

Fig. 2.- Disposición de las herramientas y ejemplos de fresado de AV



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Característica Área de aplicación Ejemplo

Metales ligeros Aeronáutica y técnica aeroespacialAltas velocidades

Acero: hierro colado Talleres de herramientas y matrices

Mecanizado de precisión Mecánica fina. sensores, ópticaExcelente acabado

superficial Piezas especiales Compresores espirales

Bajas fuerzas decorte

Mecanizado de piezas conparedes finas

Aeronáutica, técnica aeroespacial,automóviles, electrodomésticos

Alta excitacióndinámica

Mecanizado lejos de estados deresonancia en piezascomplicadas

Piezas de precisión, sensores, óptica

Ausencia de distorsión o detensión residual Piezas de precisión

Transporte de calorpor la viruta

Ausencia de carga térmica en la

pieza Aplicable a piezas de magnesio

Fig. 3:- Campos de aplicación del MAV y ejemplos (Prof. H. Shulz, PTW, Darmstadt)

Piezas de referencia para fresado de alta velocidad

Fig. 4.- Piezas de referencia para fresado de alta velocidad



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3. PUNTOS FUERTES EN LA APLICACIÓN DE PROCESOS DE ELECTROEROSIÓN

Las descargas eléctricas, las herramientas en los procesos de electroerosión, encuentran su camino en labrecha de mecanizado (“gap”) rellena de dieléctrico en cualquier dirección por autoignición. El proceso aplicacalor y presión. En consecuencia, es independiente de la fortaleza mecánica de la pieza. Esto permite elmecanizado de cualquier forma, incluso cortes sesgados o grabados en la pieza. Si la geometría formadadirectamente por copia de un electrodo-herramienta (electroerosión por penetración) o indirectamente por uncamino de herramienta programado (electroerosión por hilo) no producen el resultado deseado, puedeaplicarse cualquier movimiento superpuesto. Los ejemplos más conocidos son penetración planetaria y cortepor hilo en ángulo.

Puesto que el electrodo-herramienta puede moverse por medio de CNC en cualquier dirección vectorialcartesiana, 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 lasgeometrías mecanizadas por electroerosión. Son el resultado de la capacidad de las chispas de encenderseen cualquier dirección, y de la posibilidad de copiar la geometría de los electrodos, de generar nuevas formaspor medio de movimiento CNC vectorial de electrodos con forma y de superponer movimientos aoperaciones programadas. Finalmente, también de la capacidad de secuenciar el mecanizado de seccionesde geometría parciales o de combinar una pluralidad de grabados en una operación de electro mecanizadoutilizando electrodos en forma de bloque.

La figura 6 muestra una instalación de electroerosión por penetración ZK 600 con equipo completo, queincorpora intercambio de herramientas y alimentación de piezas paletizada, diseñada para uso 24 horas aldía 7 días por semana. La planificación del trabajo y el control de los intervalos de mantenimiento debenorganizarse para que se ejecuten durante los turnos de día, a pesar de las largas series de mecanizado. Deotra forma, se pierde la mayor parte de la ventaja económica.

Mitades de molde electroerosionadas para terminales de fijación moldeados por inyección

Fig. 5.- Utillajes típicos de moldeo por inyección. Geometría compleja erosionada por medio de variassecuencias de penetración.



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Instalación para electroerosión por penetración para electrodos-herramienta autónomos eintercambio de piezas

ZK-600 con capacidad para 50 electrodos e intercambiador de palets PW-3 de 8 palets

Fig. 6.- Electroerosión por penetración Z+K 600 con autonomía de mecanizado programada completa

4. VISIÓN DE CONJUNTO DE LAS CAPACIDADES TECNOLÓGICAS Y DE APLICACIÓN DEL FRESADODE ALTA VELOCIDAD Y LA ELECTROEROSIÓN POR PENETRACIÓN

La electroerosión comparada con el mecanizado de alta velocidad.

Fabricación de herramientas / acero endurecido

Electroerosión Mecanizado de Alta Velocidad

No tiene límites geométricos Permite una tasa de eliminación de materialalta.

Trabaja con independencia de laspropiedades mecánicas

Es preferido para formas abiertas yaerodinámicas

Permite ciclos de mecanizado de fácilprogramación y ajuste.

Requiere de herramientas-electrodoperfectos y de una gestión de referencias

Necesita de herramientas muy precisas yde ejes cortos y rígidos.

Característicasclave

Su economía depende fuertemente delcoste de los electrodos Tiene límites con diámetros pequeños(velocidad de rotación del husillo y potencia)

Microgeometrías Grabados planos, aerodinámicos

Formas complejas, ranuras profundas Herramientas de formas premoldeadas.

Grabados profundos y rígidos; esquinasafiladas

Esquinas interiores redondeadas

Estructuras sensibles Mecanizado de bloques rígidos

Piezas con materiales múltiples Mecanizados de cuerpos de automóvil oavión anchos.

Aplicacionestípicas

Erosión multicavidad o multicanal

Fig. 7.- Comparación de las capacidades y aplicaciones de la electroerosión y el MAV



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5. PROPUESTA DE EVALUACIÓN DE UNA PIEZA PARA ELECTROEROSIÓN

A nivel de taller, sería ideal disponer libremente de las tecnologías de MAV y electroerosión y usar susventajas allí donde sean aplicables. Las inversiones para ambos tipos de equipos, sin embargo, son todavíarazonablemente elevadas y las capacidades de fabricación de ambas deben usarse completamente si serequiere un buen equilibrio económico y competitivo. Las empresas pequeñas y medianas deben puesdecidir de acuerdo con sus preferencias. Las figuras 8 y 9 muestran argumentos para comparar ambastecnologías.

Requerimientos del proceso

Área Mecanizado de alta velocidad Electroerosión

Comprobar colisiones con formasexteriores Proceso autocontrolado y programado

Comprobar colisiones conelementos de fijación

Comprobar fuerzas de corte ytiempo de vida de las herramientas

Restablecimiento adaptativo de proceso deteriorados(dispositivos de vigilancia “watch-dog ” antiarco)

Comprobar continuamente roturade herramienta

Supervisión delproceso

Comprobar velocidad de arranqueLarga autonomía de funcionamiento desatendido

Se necesita maquinaria dedicada:

Equipamiento estándar:

Velocidades de husillo y de guíashasta 5-8 veces superiores Piezas a mecanizar extremadamente grandes

Dispositivos actuadores dinámicos

especializados (“drives ”)Los controles CNC necesitan características especiales

Rigidez; baja respuesta dinámica

Herramientas equilibradas Ajustes tecnológicos por medio de diálogos

Datos de maquinabilidadrequeridos para cada material

Juegos de ajustes memorizados (herramienta, trabajo,geometría)

Controles CNC multiejes de altavelocidad

Equipamiento

Programación con splines yNURBS

Datos de maquinabilidad necesarios únicamente para familiasde materiales (aceros, carburos de tungsteno, ...)

Programación compleja anticipativa

Programación organizada de trabajo/geometría/tecnología

Búsqueda de la posición óptima delos filos de herramienta

Definición problemática de la limpieza con chorro dedieléctrico (flushing )

Sincronización multiejes intensivaen tiempo.

Los movimientos superpuestos dificultan el control

Planificación deltrabajo

Comprobaciones de control de

colisiones Gestión de los electrodos-herramienta

Fig. 8.- Comparación técnica MAV / EDM



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Aspectos económicos y organizativos

Área Mecanizado de alta velocidad Electroerosión

PersonalExcelente conocimiento del saberhacer en fresado a partir delaprendizaje

El saber hacer en electroerosiónnormalmente es débil

Cada metal y geometría sonerosionables. Hay gran libertad demovimiento

La combinación de mecanizado de altavelocidad y de baja velocidad esfácilmente aplicable

Excelentes cargas de trabajo

Pueden conseguirse excelentescargas de trabajo

Es posible combinar la tecnología con elMAV para el acabado

Carga de los equipos -Longitud de la cadenade proceso

Una sola preparación para conseguirla pieza acabada Una sola preparación también para

geometrías con cortes sesgados

Complejo a causa de las limitacionesgeométricas Procedimiento en forma de diálogo

preorganizado

Utillajes especiales, comprobacionesde colisión

No son necesarias las comprobacionesde colisión

Tiempo de vida de las herramientaslimitado

Pueden conseguirse todas lasgeometrías con movimientos cinemáticossimplesProgramación en 6 ejes para alcanzar

geometrías complejas

Longitud de la cadenade proceso

Faltan datos de maquinabilidad paramuchas aleaciones

Se requieren electrodos; en ocasionesvarios de ellos, con una planificación yfabricación separadas

Fig. 9.- Comparación económica y de organización MAV / EDM.

La electroerosión por penetración requiere siempre de la preparación de electrodos, bien sea de cobre ografito. En muchas ocasiones son fresados. Por ello, algunas empresas invierten primero en equipos defresado. Normalmente los electrodos muestran una forma convexa. El material y la geometría facilitan elprocedimiento de mecanizado. El corte por electroerosión ofrece buenas alternativas para la preparación deelectrodos, si se precisa de un afilado fino.

Para facilitar las decisiones de inversión de los fabricantes de herramientas y para referirse más a requisitosgeométricos, se propone una pieza de referencia para la electroerosión (ver figura 10). Dicha pieza ofreceuna pluralidad de formas típicas, que se mecanizan favorablemente por electroerosión por penetración o encombinación. Pieza de referencia para electroerosión por penetración



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Fig.10.- Pieza de referencia para electroerosión por penetración

El objetivo de la pieza de referencia no es su fabricación completa. Pueden seleccionarse, para prueba oinvestigación, una de las geometrías típicas. La amplia abertura en el centro debería ser fresada o taladradaantes de templar el bloque, para evitar cualquier tensión residual a través de esta sección. Dos electrodos degrafito planos fijados de una estacada a la distancia necesaria se usarán luego para erosionar las caraslaterales. Un electrodo de grafito fresado con la plaqueta frontal (5 x 5 mm / prof. 2,5 mm) será usada acontinuación para acabar la abertura. El ejemplo de abertura en forma de túnel se erosiona en la direccióncorrecta combinando los ejes Z+ e Y- y por medio de un electrodo de cobre.

Las ranuras con una relación profundidad / anchura muy elevada pueden ser erosionadas con electrodos degrafito y con limpiezas (flushing ) temporizadas, rectificados planos con el adecuado exceso (negativo). Parael ángulo de 90º puede usarse dos electrodos planos fijados al soporte adecuado. También se propone eluso de un electrodo de grafito para erosionar la ranura perfilada. Este electrodo se fabrica por fresado de unabarra 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. Elelectrodo necesario puede verse también en la figura 11. Si se fresa con un equipo moderno de 5 ejes, senecesita 1,5 h de trabajo, excluyendo la programación.



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Fig. 12. Electrodos de grafito fresados para moldes de inyección para un terminal de fijación

Fig. 13.- Bloque de electrodos fresado en alta velocidad con diversas aletas largas para erosionar un molde

7. CONCLUSIONES

Esta contribución trata acerca de los criterios técnicos para delimitar dos tecnologías de fabricación: fresadode alta velocidad y electroerosión por penetración. Cada método domina un área de aplicación en función delas 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 decisioneseconómicas darán prioridad a un método u otro en función de las limitaciones monetarias en la instalación deambos. Las sobrecargas temporales en una máquina o dificultades causadas por cambios súbitos en losprogramas de producción pueden también condicionar las prioridades.

Esta presentación proporciona múltiples argumentaciones para ambos procesos, en referencia alequipamiento, tecnología y planificación. En un resumen breve, podría decirse que el MAV ofrece la máximavelocidad de eliminación de material combinada con una excelente calidad de superficie, y una tolerancia unpoco menor para grabados esencialmente planos y grandes volúmenes de producción. La electroerosión porpenetración 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.



RelaciónDiámetro / Longitud de laherramienta

Dureza del material (c)

Fig. 14.- Áreas de partición para el mecanizado en baja y alta velocidad y la electroerosión en función deltamaño de la herramienta y la dureza de la pieza

Ambas tecnologías muestran en el mercado todavía una gran capacidad de innovación y progreso. Así pues,es necesario mantenerse informado continuamente sobre las nuevas tendencias y desarrollos.Recomendamos una comparación cuidadosa para las inversiones a largo plazo.

mecanizado de alta velocidad-1

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