Mecanizado de Alta Velocida 4

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21/04/2013http://www.buenastareas.com/ensayos/Mecanizado-Alta-Velocidad/751...

Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad 12

1. INTRODUCCIÓN 12

2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD? 12

3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA? 13

3.1. Un cambio de filosofía 14

4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV 15

5. CONCLUSIÓN 15

La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad 16

1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-

HERRAMIENTA 16

1.1. Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S) 16

1.2. Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F) 18

1.3. Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal

removal rate”) y potencia del cabezal 19

1.4. Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte 19

1.4.1. Aceleración / desaceleración del cabezal 20

1.4.2. Tiempo de cambio de herramienta 20

1.4.3. Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes 20

1.4.4. Tiempo de cambio de palet 21

1.5. Estabilidad térmica 21

1.5.1. Cabezal 21

1.5.2. Sistema de accionamentos 22

1.5.3. Estructura 22

1.6. Rigidez – amortiguación 22

2. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MÁQUINA-

HERRAMIENTA 27

2.1. Materiales de construcción 27

2.1.1. Fundición 27

2.1.2. Estructuras soldadas 28

2.1.3. Materiales políméricos 28

2.2. Estructura 30



2.2.1. Parámetros de diseño 30

2.2.2. Guías 31

2.2.2.1. Guías de fricción hidrodinámicas 32

2.2.2.2. Guías de rodadura 33

2.3. Ejes 34

2.3.1. Uniones 35

2.3.1.1. Uniones indirectas 35

2.3.1.2. Uniones directas 35

2.3.2. Husillo de bolas 36

2.4. Cabezal 36

2.4.1. Rodamientos 37

2.4.2. Método de lubricación 38

2.4.3. Generación de calor 39

2.4.4. Fuerza de sujeción 39

2.4.5. Tipos de cabezales 41

2.4.5.1. Cabezal con transmisión de engranajes 41

2.4.5.2. Cabezal con transmisión para correas 42

2.4.5.3. Cabezal con acoplamiento directo 43

2.4.5.4. Cabezal integrado 44

2.5. Elementos auxiliares en el mecanizado 45

2.5.1. Cambio automático de herramienta 45

2.5.2. Cambio automático de palets 47

2.5.3. Evacuación de la viruta y refrigeración del corte 48

2.6. Control térmico y evacuación del calor 49

2.6.1. Motores de los ejes 50

2.6.2. Husillo de bolas 50

2.6.3. Cabezal 51

2.6.4. Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte 53

2.6.5. Sistemas auxiliares 53

3. NUEVAS TENDENCIAS 54

3.1. Hexápodos 54

3.2. Mecanizado por láser 55



Herramientas para mecanizado a alta velocidad 57

1. INTRODUCCIÓN: 57

2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS: 57

2.1. Sustrato 58

2.2. Geometría 59

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

mecanizar. 59

2.4. Recubrimientos 59

2.4.1. Recubrimientos de TiAlN 60

2.4.2. Recubrimiento de diamante 60

2.4.3. Recubrimiento WC/C: 60

2.4.4. Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C 60

Herramientas para Mecanizado de Alta Velocidad 62

1. CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS 62

2. CONSIDERACIONES FÍSICO-QUÍMICAS 69

3. El PCBN 72

Parámetros y condiciones de corte en MAV 74

1. PARÁMETROS DE CORTE 74

2. CONDICIONES DE CORTE 77

2.1. Corte a favor o en oposición 77

2.2. Estabilidad en el corte 78

Portaherramientas para máquinas de alta velocidad 79

1. INTRODUCCIÓN 79

2. AJUSTES 79

3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO 81

Portaherramientas para Mecanizado de Alta Velocidad 83

1. Los portaherramientas 83

2. Equilibrado 83

3. Salto 85

4. Tipos de portaherramientas 86

5. Refrigeración 89

Conos porta-herramientas para mecanizado de alta velocidad 93



1. INTRODUCCIÓN 93

2. CONOS ISO - HSK 93

3. SUJECIÓN DE LA HERRAMIENTA 95

3.1. Sujeción mecánica mediante pinza 95

3.2. Conos hidráulicos 96

3.3. Zunchado térmico 97

4. EQUILIBRADO 98

Electromandrinos de altas prestaciones para MAV 101

1. Demandas de los usuarios de electromandrinos 102

2. Electromandrinos de Goialde HS 102

3. Conclusiones 102

Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad 104

1. INTRODUCCIÓN 104

2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES 104

3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES 105

Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad 107

1. Introducción 107

2. ¿Qué es un motor lineal? 107

3. ¿Qué ofrecen los motores lineales? 108

4. Conclusiones 110

Controles numéricos para MAV 111


2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD 112

2.1. Tiempo de ciclo del servoaccionamiento 112

2.2. Tiempo de proceso de bloque 112

2.3. Look-Ahead 113

2.4. Control de aceleraciones 113

2.5. Capacidad de almacenamiento. Ethernet. 114

2.6. Interpolación polinómica. NURBS. 114

3. CONTROLES ABIERTOS 115

4. CONCLUSIÓN 116

Los CNC y el MAV 117




2. ¿CÓMO TRABAJA EL CNC? 118

3. CONCLUSIÓN 129

El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida en

máquinas para el mecanizado de alta velocidad 131

1. Transmisión de datos del CAM al control numérico 131

1.1. Sistemas DNC 131

1.2. Comunicaciones Ethernet y grandes almacenamientos de memoria

132

1.3. Formato cartesiano y NURBS 133

2. Procesamiento de datos en el CNC 135

2.1. Tiempo de procesado 135

2.2. Control de la trayectoria 136

2.2.1. Error de seguimiento 137

2.2.2. Ganancias del sistema CNC-servomotor 138

2.2.3. Filtros 138

2.2.4. “Look ahead” y “feed-forward” 138

2.2.5. Límites de error de la trayectoria 139

Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad 141


2. OPERACIÓN DE DESBASTE 141

3. OPERACIONES DE ACABADO 143

4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO 145

Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser

aplicado hoy" 146

Problemática de las máquinas de arquitectura paralela 151


2. CINEMÁTICA PARALELA 151

3. VENTAJAS E INCONVENIENTES 153

Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte) 154

1. MECANIZADO DE COMPONENTES 154

1.1. Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras 154



1.2. Componentes en producciones de alto volumen 155

1.3. Componentes en producciones de volumen medio-bajo 157

2. CENTRO DE MECNIZADO PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

BASICA 158

2.1. Estructura 159

2.2. Sistemas de accionamiento 160

2.3. Cabezal 160

2.4. Mesa y 4º eje 162

2.5. Sistemas auxiliares 163


Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (2ª parte) 165

1. MECANIZADO DE MOLDES Y MATRICES 165

1.1. Moldes de inyección de plásticos 165

1.2. Moldes de inyección de aluminio 168

1.3. Moldes de soplado 169

1.4. Matrices de forja en caliente y frío 170

1.5. Matrices de extrusión de aluminio 171

2. CENTRO DE MECANIZADO PARA MOLDES Y MATRICES DE PRECISIÓN

172

2.1. Estructura 174

2.2. CNC y sistemas de accionamiento 175

2.3. Cabezal 176

2.4. Sistemas auxiliares 178


Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección 180

1. Estructura del molde 181

2. Aceros empleados en el molde 182

3. Quadworx: herramientas utilizadas 182

4. La máquina: Huron KX10 183

Tres talleres testimonian las ventajas del mecanizado del acero templado

por corte a alta velocidad 185

1. Ermet: ganancias de tiempo considerables 186



2. Heckler : matrices para fabricación en gran serie 188

3. ProForm : precisión máxima 190

EvoBus realiza el mecanizado de aluminio utilizando la técnica ‘nesting’

192

El mecanizado de alta velocidad, gran ayuda para moldistas 193

1. Pero, ¿qué es el mecanizado de alta velocidad? 193

2. Un paso hacia el mecanizado óptimo 194

3. ¿Qué supone el MAV en una empresa? 194

4. Un cambio de filosofía 194

5. Conclusión 196

El fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices 197

1. Útiles para pieza pequeña. 197

2. Útiles para pieza grande. 199

3. Ejemplos de aplicación realizados en la Fundación ASCAMM: 200

3.1. Placa de figura de doble cavidad para inyección de termoplástico 200

3.2. Electrodo de cobre electrolítico para mecanizado por EDM 201

3.3. Placa figura punzón para molde inyección de plástico 202

3.4. Pieza para validación de estrategias de desbaste 202

3.5. Electrodo de grafito biela 203

3.6. Electrodo de grafito nervio 203

4. Conclusiones: 204

El mecanizado de alta velocidad en la fabricación de estructuras

aeronáuticas 206

1. Paredes Delgadas 206

2. Suelos delgados 207

Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser para

la fabricación de moldes 209

1. Procedimiento Experimental 210

1.1. Equipamiento disponible 210

1.2. Cabezal de fresado a Alta Velocidad 210

1.3. Sistema Láser 210

1.4. Software 211



2. Estudio del proceso 211

2.1. Material 211

2.2. Resultados experimentales 212

3. Mecanizado de Molde Ejemplo 215

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø2mm, con 4 filos de corte 215

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte 215

Herramienta esférica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte 216

4. Conclusiones 216

Rugosidad 217

Tiempo 217

Agradecimientos 217

La electroerosión frente al mecanizado de alta velocidad 218

1. Desarrollos en fresados de alta velocidad 219

2. Puntos fuertes en la aplicación de procesos de electroerosión 221

3. Propuesta de evaluación de una pieza para electroerosión 222

4. Posibilidades de combinación 225

5. Conclusiones 227

6. Bibliografía 227

Seguridad en máquinas de alta velocidad 229

Manual de seguridad laboral para máquinas-herramienta de trabajo de

los metales en frío 229

1. Disposiciones mínimas generales aplicables a las máquinas 229

1.1. Órganos de accionamiento 229

1.2. Puesta en marcha 230

1.3. Parada 230

1.4. Caída de objetos y proyectores 231

1.5. Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos 231

2. MEDIOS DE ACCESO Y PERMANENCIA 231

3. ESTALLIDOS, ROTURAS 232

4. ELEMENTOS MÓVILES 232

Tutorial básico



* Definición de mecanizado de alta velocidad

Tutorial avanzado

* La máquina-herramienta para MAV

* Herramientas para MAV

* Herramientas para mecanizado a alta velocidad [Tekniker]

* Herramientas para mecanizado de alta velocidad [Juan Martín]

* Parámetros y condiciones de corte en MAV

* Portaherramientas para MAV

* Portaherramientas para máquinas de alta velocidad [Tekniker]

* Portaherramientas para MAV [Juan Martín]

* Conos portaherramientas para MAV

* Mordazas autocentrantes para MAV

* Electromandrinos de altas prestaciones para MAV

* Refrigeración en MAV

* Motores lineales para MAV

* Controles numéricos para MAV

* Controles numéricos para MAV

* Los CNC y el MAV

* El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida

[Juan Martín]

* CAD/CAM para MAV

* Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser

aplicado hoy"

* Máquinas de arquitectura paralela (hexápodos)

Aplicaciones

* Mecanizado de componentes

* Mecanizado de moldes y matrices

* Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección

* Mecanizado del acero templado

* Mecanizado de aluminio por nesting

* MAV, gran ayuda para los moldistas

* Fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices



* El MAV en la fabricación de estructuras aeronáuticas

* Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser

para la fabricación de moldes

* Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte) (2ª

parte)

Formación / eventos

* Plan de formación sobre mecanizado de alta velocidad

* Conferencia internacional MAV San Sebastián 2007

* Seminario Hitachi IMH 2006

* Jornada sobre MAV, IMH, Tekniker e Hitachi 2004

* Jornada técnica ASCAMM 2001

Proveedores

* Fresadoras MAV

* Centros de mecanizado MAV

Alternativas

* La electroerosión frente al MAV

* Preferencias por la electroerosión en comparación con el Mecanizado

de Alta Velocidad

Centros tecnológicos

* Centro de Aplicaciones de MAV - Fundación Tekniker

* Fatronik

* Fundación Ascamm

* Ideko

Reportajes usuarios

* Construcciones Mecánicas Solé

* Talleres Mol-Matri

El sector opina

* Entrevista a Juan Ignacio Sáez, Director General de Industrias Anayak

* Entrevista-encuesta a proveedores españoles

Investigación Universitaria

* Escuela Superior de Ingenieros de Bilbao

Formación



* Plan de formación en MAV

Normativa de seguridad

Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad

Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi LópezCentro de Aplicaciones

del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker

1. INTRODUCCIÓN

Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución

experimentada por la tecnología de fabricación en los últimos 10 - 15

años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de

comunicación, etc, están revolucionado el mundo en general y en

particular el mundo empresarial. En el campo que nos concierne,

mecanizado-fresado, “el cambio o la revolución” ya ha llegado y, aunque

todavía queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a

Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad que muchas empresas y mucha

gente todavía desconocen.

El MAV hoy en día es una tecnología de corte con bases sólidas que abre

las puertas del mecanizado de materiales y figuras que antes no se

podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, como por

ejemplo: materiales con una dureza superior a 50 Hrc o paredes

delgadas de 0.2 mm, etc.

2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD?

Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? Es mecanizar a altas

velocidades de husillo (n)? Es mecanizar a altos avances (Vf)?…

Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es

que no significa obligatoriamente mecanizar a altas revoluciones de

husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de

husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro

(25 - 30 mm). Las condiciones del proceso (velocidad de corte, avance,

profundidades de corte radial y axial, etc). dependerán del material a

mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.

Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias



características de maquinabilidad, lo que nos marcará los limites

operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:

* Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros

templados, titanio, níquel, etc.)

* Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de

poca maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).

Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros

de corte, estrategias de mecanizado, volumen de material extraído por

unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de proceso

en general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica

muestra los rangos de velocidades de corte en función del material

mecanizado.

Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización

del mecanizado con las posibilidades existentes limitado por la

pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAM-CNC)

disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre

5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional

“para cada material”.

Un paso hacia el mecanizado óptimo

Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado

un paso importante hacia el mecanizado óptimo de cada material. A

medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas,

herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc… se irá

avanzando hacia la optimización general del mecanizado, en el que cada

material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus

herramientas, etc.

3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA?

La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el

mecanizado en óptimas condiciones y la posibilidad de mecanizar

algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte



Vc (>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.

4.1. Un cambio de filosofía

1. Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

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

2. En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente

mayor que el gasto de tiempo en mecanizado.

3. Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a

pie de máquina.

2. Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas,

controles, etc.

1. La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de

mecanizado deseada y al perfil objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).

2. CNC: Deben ser capaces de prever cómo va a cambiar la trayectoria

exigida a esa herramienta en el instante de tiempo siguiente (look ahead,

nurbs, etc.).

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

MAV.

4. La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la

operación requerida. Los recubrimientos aumentarán la vida de las

herramientas.

El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone

un cambio de mentalidad y necesidades: es una tecnología que no tiene

nada que ver con el mecanizado convencional.

| |

El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja

velocidad de corte por muchas pasadas rápidas de menor profundidad

de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada

(volumen de material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de

corte y los elevados avances disminuyen las fuerzas de corte gracias a

espesores de viruta cada vez más pequeños.

4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV



* Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles,

posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm)

* Mayor precisión de los contornos , mejor calidad superficial y

tolerancias dimensionales más precisas

* Reducción del tiempo de pulido

* Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado

* Mecanizado de paredes finas

* Reducción del tiempo de mecanizado y coste global

* Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta

* Evacuación casi total del calor por medio de la viruta

* Aumento en la vida de la herramienta

* Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera

mecanizado en caliente

5. CONCLUSIÓN

Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado,

pero supone una oportunidad de optimización en determinados campos

de aplicación.

La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad

Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano

Almoril

En este artículo se profundizará en las soluciones constructivas de las

máquinas-herramienta preparadas para aplicaciones de alta velocidad.

Este estudio se basa únicamente en los centros de mecanizado (de

fresado) y no se tienen en cuenta otras máquinas de arranque de viruta

como tornos, abrasión (rectificadoras) o electroerosión. El concepto de

mecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para

muchas de estas tecnologías, pero sólo se tratarán los centros de

mecanizado (fresadoras) para arranque de viruta.

Para afrontar el estudio de las soluciones constructivas de las máquinas-

herramienta hay que definir primero las necesidades funcionales de las

mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa y



cuantitativamente diferentes dependiendo de la aplicación de la

máquina. En el caso de una máquina diseñada para el mecanizado de

moldes de inyección de plásticos, donde el acabado de las superficies

complejas de 3D es lo más importante, los conceptos de precisión

(±0,002 mm), falta de vibración (<0,002 mm, pico a pico) y requerimientos

de Vc (aprox. 300 m/min) serán muy diferentes a una máquina concebida

para el mecanizado en serie de piezas de aluminio o magnesio de

fundición, donde lo que prima son las aceleraciones, velocidades de

posicionamiento y minimización de los tiempos de no-corte.

Se intentarán agrupar todas las necesidades en los rangos más estrictos

para cualquier aplicación. En otro capítulo se retomarán estas

necesidades para máquinas concretas y aplicaciones diversas.

1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-

HERRAMIENTA

En un capítulo anterior se han definido los parámetros de aplicación

deseados para la máquina perfecta de alta velocidad. Ahora queremos

traducir estos parámetros en parámetros funcionales de la máquina.

Los parámetros de aplicación: velocidad de corte (Vc), cantidad de

material desalojado (MRR) y avance para diente (fz) son fácilmente

relacionables con conceptos funcionales tales como velocidad de cabezal

(S), potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez,

amortiguación, precisión o estabilidad térmica, se interrelacionan y

afectan a muchos de los sistemas de la máquina-herramienta,

haciéndolos algunas veces incompatibles con los requerimientos

funcionales.

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

La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la

herramienta cuando el cabezal gira a las revoluciones necesarias para

arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de la

velocidad angular del cabezal S, (rpm) y el diámetro de la herramienta,

Øherramienta (mm). Sabemos por capítulos anteriores que, con estas

magnitudes, la velocidad de corte se calcula según la ecuación:



donde:

Rmax = rugosidad máxima teórica (mm)

R = radio de la herramienta (mm)

Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobre todo, los

nuevos recubrimientos permiten mecanizar a más altas velocidades de

corte, la máquina debería aumentar proporcionalmente la velocidad

angular de su cabezal.

La velocidad angular máxima del cabezal de la máquina-herramienta

depende de un parámetro básico de diseño. La Vc depende, aparte del

tipo de herramienta, de su diámetro y del material que se está

mecanizando y, por tanto, de la aplicación a la que esté destinada la

máquina.

Así pues, para materiales ligeros como el aluminio o el magnesio las

velocidades de corte que se pueden conseguir con herramientas

adecuadas llegan a 1500 m/min, mientras que para titanio es posible, con

suerte, llegar a 80 m/s. La variación es grande. Además, las herramientas

con las que podemos llegar a cortar con alta velocidad son de Ø 25 mm

(muchas de las aplicaciones aeronáuticas en aluminio) hasta a Ø 1 mm o

incluso menores (para mecanizar directamente acero templado para

moldes de inyección de plásticos).

Por tanto, y poniendo algunos de los casos más típicos, la velocidad

angular máxima del cabezal tendría que ser como se muestra en la tabla

1.

| Material | Vc | Herramienta mínimo | Velocidad angular (S) |

Aeronáutica: piezas de estructuras | Aluminio | 1200 | 15 | 25.500 |

Moldes de inyección de plásticos multicavidad de precisión | Acero DIN

1.2344 | 220 | 1 | 70.000 |

Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 60 | Ø 10 | 1.900 |

Tabla 1.- Velocidad angular máxima del cabezal |

Con estos valores se comprueba que las diferencias de velocidad angular

de cabezales entre diferentes aplicaciones son evidentes. Estos valores



son valores teóricos que, en la práctica, se pueden ver limitados para la

potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida útil del cabezal

o para los avances de mecanizado requeridos en estas velocidades

angulares del cabezal. De todo esto se hablará en el apartado 2.

2.2. Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F)

El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre

el corte de uno de los dientes y el siguiente. Es decir: el avance por diente

es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valor está

limitado para la rigidez del alma de la herramienta y para la potencia que

puede generar el cabezal.

La rigidez de la herramienta depende fundamentalmente de su

geometría y su material constructivo, por tanto, el valor de fz (mm) es

una característica tecnológica que ha de ser informada por el fabricante

de herramientas. Así pues, fz y Vc, son las dos características tecnológicas

que determinan el proceso de arranque de viruta, y las dos las determina

la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).

El avance por diente es directamente proporcional al avance de

mecanizado (F) e inversamente proporcional a la velocidad angular del

cabezal (S) como se indica en la ecuación 3.3, donde z es el número de

dientes de la herramienta.

Con esta relación vemos que, para una fz determinada para la

herramienta y con la velocidad angular del cabezal cada vez mayor

gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de

aumentar en la misma proporción. Y prosiguiendo con los mismos

ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 según:

| Material | Z | Herramienta mínimo | Velocidad (S) | Avance por diente

(fz) | Avance de trabajo (F) |

Aeronáutica: piezas de estructuras | Aluminio | 3 | 15 | 25.500 | 0,25 |

19.125 |

Moldes de inyección plásticos | Acero DIN 1.2344 | 2 | 1 | 70.000 | 0,05

| 7.000 |

Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 3 | Ø 10 | 1.900 | 0,2 |



1.140 |

Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente |

Se observa también en esta tabla, como en la Tabla 1, que la variación de

resultados, en este caso de F, es enorme. De todas maneras, el dato más

interesante es que en el mecanizado de alta velocidad (de corte) también

los avances han de aumentar, y este factor es más importante que la

velocidad angular del cabezal porque afecta de forma directa la dinámica

de los ejes coordenados y por tanto a la estructura de la máquina. Es de

vital importancia entender que una fresadora de alta velocidad no es una

fresadora convencional de control numérico con un cabezal de elevada

velocidad de rotación.

La tabla 2 evidencia que la máquina de alta velocidad ha de ser

concebida desde un inicio de forma diferente.

2.3. Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal

removal rate”) y potencia del cabezal

El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal

removal rate”) se mide en cm3/min y tiene relación directa con la

potencia que necesita el cabezal para arrancar este material según la

ecuación:

| Ecuación 1 |

donde:

Ps = potencia necesaria en la punta del cabezal

MRp = constante que define la cantidad de material desalojado por

unidad de potencia (cm3/min/kW)

El factor MRp depende de la geometría, el estado de la herramienta y del

material. Siguiendo con los ejemplos del apartado anterior se obtienen

las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencia necesaria en

el cabezal:

| Material | Avance de trabajo (F) | Ae | Ap | MRR | MRp | Ps |

Aeronáutica: piezas estructuras | Aluminio | 19.125 | 15 | 15 | 4303 |

71,4 | 60,2 |

Moldes inyección plástico | Acero DIN 1.2344 | 7.000 | 0,4 | 0,04 | 0,112



| 14,7 | 0,008 |

Aeronáutica: piezas estructurales | Titanio | 1.140 | 6 | 5 | 34,2 | 20 |

1,8 |

|

Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello

De nuevo se observa que las potencias necesarias en la punta del cabezal

difieren mucho entre las distintas aplicaciones.

2.4. Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte

Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente,

la reducción del tiempo del proceso de mecanizado. Hasta ahora se ha

visto el mismo proceso tecnológico, pero en el proceso total de

fabricación de una pieza intervienen otros tiempos donde la máquina no

“elimina material”, que pueden ser denominados tiempo de no-corte (del

inglés: “non-cutting time”). Este incluye los tiempos de carga y descarga

de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vacío de los ejes y

aceleración y desaceleración del cabezal.

Todos estos factores son más importantes cuanto menores sean los

tiempos de mecanizado. Esta relación de “tiempo de corte” / ”tiempo de

no-corte” determina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte

en una máquina.

Por ejemplo, en un molde donde el tiempo de mecanizado de una pieza

mediana (ie: carcasa de un teléfono) es de 20 o 30 horas, los tiempos

perdidos por carga y centrado de pieza (15 min), cambios de

herramienta, etc., son prácticamente despreciables y por tanto no serán

valores muy importantes. En cambio, en el mecanizado de una pieza de

prefundición de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar

son muy pequeños y la cantidad de herramientas es grande para la

especialización de las mismas, los tiempos sumados de no-corte pueden

llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, la

reducción de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la

reducción del tiempo de mecanizado.

En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a



la producción de piezas en serie tienen en cuenta las siguientes

características.

2.5.1. Aceleración / desaceleración del cabezal

Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo

más rápidamente posible.

Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo

sólo 2 o 3 segundos si se utilizan condiciones de alta velocidad (S=15.000

rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajo

supusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad

el rendimiento del proceso sería extremadamente pobre. En el apartado

2 se verá que este factor afectará a menudo el diseño del tamaño de los

rodamientos del cabezal.

2.5.2. Tiempo de cambio de herramienta

En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la

acción que más hace aumentar el tiempo de no-corte. Por este motivo,

los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado sistemas de

muchos tipos para reducirlo.

En algunos diseños de máquina el cambio de herramienta determina

hasta la configuración de los ejes, y se sacrifican otros factores

importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de

ineficacia. En el apartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuesta

2.5.3. Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes

Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los

tiempos de posicionamiento. En las piezas donde hay muchos procesos

de agujereado, roscado, etc, los tiempos de posicionamiento son muy

importantes. Los avances en rápido no son los únicos responsables de

minimizar estos tiempos.

Las piezas de producción son a menudo de dimensiones reducidas, y los

posicionamientos de operación a operación son de menos de 100mm. Si

la velocidad máxima de la máquina es de 50 m/min pero se necesitan

400 mm para conseguir esta velocidad, la solución es inválida. Por tanto

las aceleraciones son muy importantes y, por ello, a menudo los datos



son dados en tiempos requeridos para posicionamientos de ciertas

dimensiones.

La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma

vital en el diseño de los sistemas de accionamiento, guías, y estructura de

la máquina para conseguir dinámicas muy interesantes . Pensamos que

en las máquinas de producción se puede hablar de velocidades

superiores a los 50 m/min y aceleraciones superiores a 1G.

Otra consideración tienen los ejes rotativos que están a menudo aparte

de los tiempos de posicionamiento, y requieren tiempos de

enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas

al mecanizado. Muchas piezas de éstas son tan importantes como las de

posicionamiento de los ejes coordinados.

2.5.4. Tiempo de cambio de palet

En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se

minimizan utilizando cambios de palet (o tabla) para poder hacer la

preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una estación

externa. Entonces el único tiempo que provoca no-deficiencia es el

tiempo de cambio de palet. Este tiempo depende evidentemente de la

carga del palet, pero por lo general es de segundos.

2.5. Estabilidad térmica

Hasta ahora se han comentado características tecnológicas que afectan

directamente a alguno de los elementos de la máquina-herramienta: la

Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo de la

máquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en común intentar

reducir el tiempo de proceso o minimizar los tiempos de no-corte, y por

tanto se necesita además potencia en los sistemas de accionamientos.

Desgraciadamente esta potencia extra también provoca cantidad de

calor extra que puede provocar reducciones en la vida de los elementos

mecánicos, así como falta de precisión. Por ello es de vital importancia

extraer el calor generado en las máquinas de alta velocidad.

Evidentemente cada día se construyen sistemas más eficientes donde las

pérdidas de calor se minimizan, pero estos avances afectan más a los



sistemas electrónicos que a los mecánicos, donde la fricción y las fuerzas

de inercia siempre suponen generación calorífica.

Se verá en los siguientes apartados que la generación de calor afecta a

todos los sistemas mecánicos.

2.6.5. Cabezal

En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades

de corte es necesario aumentar la velocidad de angular de los cabezales.

Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -que tendrá

también que girar a más revoluciones - o al sistema de transmisión, que

tendrá que multiplicar aún más las revoluciones del motor - afrontando

graves problemas de equilibrado y vibraciones.

También afecta directamente a la composición, naturaleza y tamaño de

los rodamientos del propio cabezal que deberán ser dimensionados de

acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que deben

desarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecánica de los rodamientos

es proporcional a su diámetro, pero un diámetro mayor también provoca

una mayor fuerza centrífuga y generación de calor, reduciendo así la vida

de los rodamientos.

Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el

proceso de mecanizado y una vida útil razonable supone un compromiso

de diseño, que comprometerá, en muchos casos, la necesidad de

refrigeración de los rodamientos con sistemas complejos.

Aparte del problema mecánico, la generación de calor hacia el cabezal

afecta directamente a la precisión del eje Z de la máquina.

Inexorablemente, el calentamiento del cabezal compromete el

alargamiento del mismo. El intento de control de este alargamiento es

vital en procesos de mecanizado donde buscamos precisiones en el eje Z

de menos de 0,010 mm (como en moldes de inyección de plástico de

precisión) y supone uno de los campos de estudio más importante para

los ingenieros de diseño de la máquina-herramienta.

2.6.6. Sistema de accionamentos

El sistema de accionamientos resulta también afectado para la



generación de calor. Para conseguir velocidades más altas se aumentará

el paso del husillo de bolas, requiriendo a la vez una potencia superior

del motor. Este entonces genera más calor de lo normal (aunque los

servomotores sin escobillas tienen eficiencias muy elevadas) que se

pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la máquina.

Pero el elemento más crítico es el husillo de bolas. Este se calienta por el

calor generado en la hembra aunque se trate básicamente de un proceso

de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas y hembra.

Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas

afectando su vida y la precisión dimensional de la máquina.

2.6.7. Estructura

La estructura es un elemento estático, pero también puede recibir calor

procedente de diversas fuentes. Una de ellas es el calor generado en los

accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conducción a

la estructura, por lo que tendremos que aislarla. Otras fuentes

importantes de calor pueden ser las externas, como la temperatura

ambiente o los rayos solares.

Estos factores no se tienen a menudo en cuenta, pero pueden afectar

tanto a la precisión como a las fuentes internas de la máquina.

Por último, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el

mismo proceso de corte. El mecanizado de alta velocidad basa la

protección de la herramienta en que parte del calor generado en el corte

se lo lleve la viruta. Además muchas veces el corte se ha de hacer con

emulsiones refrigerantes que se llevan también gran cantidad de calor.

Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto

directo con la parte de la estructura de la máquina que configura el área

de trabajo, transmitiendo también el calor recibido para conducción.

2.6. Rigidez – amortiguación

La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformación sobre una

carga. Podemos hablar de rigidez estática si el cuerpo recibe la carga

constante y de rigidez dinámica si la naturaleza de la carga se frecuencia.

En una máquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por



tanto los elementos constructivos de la misma han de tener en cuenta

las dos.

Las cargas constantes son fundamentalmente la misma estructura y el

peso de la pieza a mecanizar y sistemas de utillajes. También en menor

medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporciones de

diseño de las partes estáticas y móviles de la estructura han de asegurar

una alta rigidez pero, además, tienen que poder dar una buena

respuesta dinámica.

Las cargas dinámicas son las debidas principalmente al proceso de corte.

Pensamos que a las máquinas de alta velocidad las revoluciones del

cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm lo

que supone, teniendo en cuenta que un herramienta integral tiene

habitualmente 2 labios, una frecuencia de:

f = (40.000/60)·2 = 1333 Hz.

Es importante a la hora de diseñar las características estructurales de

una máquina alejar lo más posible la frecuencia natural de las

frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que,

comportan a menudo, roturas de herramienta y acabados superficiales

muy pobres.

La amortiguación es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones.

Esta absorción de vibraciones se hace mediante fuerzas de fregamiento.

Estas fuerzas pueden ser fuerzas de fregamiento seco (o Coulomb) entre

dos sólidos del sistema, fuerzas de fregamiento de un cuerpo en un

fluido o fuerzas producidas para el fregamiento interno entre las

moléculas de un cuerpo que se deforma (elasticidad).

En una máquina-herramienta es la absorción de energía vibratoria la que

produce mayoritariamente las deformaciones de la estructura y de los

elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales se deforman,

los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la

precarga. La amortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto

hace que los parámetros de diseño de los elementos constructivos

siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.



Vale la pena profundizar un poco más en las consecuencias físicas de

esta dicotomía. Si simplificamos a 1 variable y en 1 elemento toda la

estructura de la máquina, podemos considerar que la rigidez de toda la

cadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de

rigidez “k” donde:

| Ecuación 2 |

Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las

vibraciones podemos modelarlos como un fregamiento viscoso con

constante de amortiguación “c” donde:

| Ecuación 3 |

p>La propia masa de la estructura responde a la ecuación:

| Ecuación 4 |

Y finalmente la acción de la herramienta se puede modelar como una

fuerza periódica de la forma:

| Ecuación 5 |

De esta manera la ecuación dinámica del sistema es:

| Ecuación 6 |

La solución general de esta ecuación diferencial se obtiene sumando su

solución particular con la solución general de la ecuación homogénea.

Esta última modela la respuesta a un único impulso de vibración. Tiene

tres soluciones dependiendo si el valor de la constante de amortiguación

es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente crítico de

amortiguación “cc”.

| Ecuación 7 |

donde p es la frecuencia angular de la vibración no amortiguada (o sea la

frecuencia en el caso que c fuese 0) también llamada frecuencia natural

del sistema. Esta frecuencia depende nada más de m y k y es por tanto

una característica propia del sistema.

Así pues:

1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobreamortiguación, y la

solución general es:

| Ecuación 8 |



donde λ1 y λ2 son soluciones reales de la ecuación homogénea. La

solución corresponde a un movimiento no vibratorio, donde el sistema

vuelve a su estado después de un tiempo.

2. Si c=cc se produce la amortiguación crítica y la solución general es:

| Ecuación 9 |

Esta solución tampoco es vibratoria y hace volver al sistema a su estado

inicial en el mínimo tiempo posible.

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

| Ecuación 10 |

donde:

| Ecuación 11 |

que es la frecuencia angular de la vibración amortiguada. Nótese que

siempre, cuando c>0, q es más grande que la frecuencia de la vibración

no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguación.

Esta solución representa un movimiento vibratorio con amplitud

decreciente que se amortigua más deprisa cuanto más parecido sea c a

cc y que el extremo no se amortiguara si c fuese 0 (movimiento

vibratorio).

|

Fig. 1.- Amortiguación |

La solución particular, por su parte, es de la forma:

| Ecuación 12 |

donde:

| Ecuación 13 |

y:

| Ecuación 14 |

La relación xm / Fm/k se llama factor de amplificación, y se expresa en

relación a 2 factores:

* ω/p, que representa la relación entre la frecuencia de la fuerza aplicada

(en este caso la frecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural

del sistema

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



Dibujando un gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p

y c/cc (figura 2) se observa que si ω=p la máquina entra en resonancia.

Esta situación es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones que

producen roturas de herramientas y acabados superficiales muy

degenerados.

|

Fig. 2.- Gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc |

Para evitar este efecto podemos:

* Aumentar el factor de amortiguación c acercándolo a cc para reducir el

efecto de amplificación.

* Diseñar la máquina para que la frecuencia natural p se aleje de las

frecuencias de trabajo. Notamos que la frecuencia natural p aumenta

con la rigidez y disminuye con el peso. Estos dos factores serán claves

para el diseño de las máquinas y de las frecuencias naturales.

Este análisis es mucho más complejo en la realidad. Existen múltiples

frecuencias naturales para cada sistema también en diferentes

direcciones. En general, las frecuencias naturales se comprueban

experimentalmente después de fabricar la máquina.

Lo más importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y

la amortiguación de la máquina con el fin de conseguir máquinas

precisas y con buena respuesta que, además amortigüen, las vibraciones

de corte.

2. ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MÁQUINA-

HERRAMIENTA

Sabiendo lo que se necesita para tener una máquina de alta velocidad.

En este capítulo se intenta explicar que formas se puede conseguir.

Este apartado limitará al estudio de los centros de mecanizado tanto

verticales como horizontales de 3 ejes.

3.7. Materiales de construcción

Básicamente las estructuras y elementos de las máquinas se han hecho

siempre de fundición gris, con todas sus variantes de composición y por

tanto de calidad. Hoy en día existen los materiales polímeros que



mejoran algunas características de la fundición.

Para producciones reducidas, se utilizan estructuras soldadas que

eventualmente se pueden llenar de hormigón y algunos elementos de la

máquina pueden estar hechos con materiales como el aluminio para

disminuir el peso y mejorar así la respuesta dinámica. Intentamos en

este apartado analizar las ventajas y los inconvenientes de todas estas

soluciones.

3.8.8. Fundición

La fundición gris es el material más utilizado en la construcción de

estructuras y elementos de las máquinas herramienta. De las diferentes

composiciones la más utilizada es la meehanita.

La fundición ofrece la posibilidad de conformar el material mediante

unas estructuras de madera que imitan la forma final del elemento de

fundición en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta

formando lo que será el molde de la fundición. Se extraen entonces las

maderas interiores y se llena de la fundición. Una vez la fundición se

solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y

limpiando la superficie.

La fundición entonces pasa a una fase de estabilización necesaria para

que una vez el elemento de la estructura esté montado su deformación

sea mínima. Esta fase de estabilización es muy importante en cuanto

más precisión necesita la máquina.

La empresa americana Moore, líder en fabricación de rectificadores en

coordenadas de alta precisión, hace descansar las estructuras de

fundición más de un año al aire libre para estabilizarlas. Además

mantiene una política de recuperación de las estructuras con sus clientes

que le hace fabricar nuevas máquinas con tecnología de control

numérico y electrónica de última generación aprovechando la estructura

de una máquina con 10, 15 o 20 años. Después de todo este tiempo la

estabilidad de la estructura está más asegurada.

Los elementos de fundición son posteriormente mecanizado s para

conformar las zonas de unión entre los diferentes elementos



estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos.

La maquinabilidad de la fundición hace fáciles estas operaciones.

3.8.9. Estructuras soldadas

La solución de la fundición es demasiado cara para la construcción de

máquinas especiales de más baja producción para la amortización de los

moldes de fundición. En estos casos se elige una solución constructiva a

base de elementos de acero soldados. El diseño y fabricación de las

estructuras se transforma entonces en simple y flexible.

Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables

en máquinas de precisión. La estabilidad y predicción de los elementos

soldados bajo cargas mecánicas y térmicas son difíciles debido a la

presencia de las soldaduras. Estas son de difícil ejecución y los elementos

son, en consecuencia, heterogéneos. Todo esto hace que las flexiones y

torsiones mecánicas o térmicas sean muy superiores a las de la

fundición.

Además, la amortiguación a las vibraciones de estas estructuras es muy

pequeña por estar constituida, fundamentalmente, por elementos de

acero. Esto limita la aplicación de estas estructuras en procesos de

desbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan

ser amortiguadas para asegurar la estabilidad del proceso.

Una solución parcial al problema de la baja amortiguación es llenar las

estructuras de acero soldado con hormigón. Esto le da capacidad de

amortiguación. Es importante mantener siempre el contacto entre el

acero y el hormigón para no perder capacidad de amortiguación. Se

utilizan en estos casos aceros con relieve (al estilo de las barras de

construcción para el hormigón armado) y se intenta vibrar el hormigón

para que llene perfectamente todo los volúmenes, aumentando así la

zona de contacto acero-hormigón.

En esta solución la estabilidad térmica es fundamental, por el hecho de

que el acero y el hormigón tienen coeficientes de expansión térmica

diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorción de

vibraciones puede ser también distinta.



3.8.10. Materiales políméricos

Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.

Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de

la máquina-herramienta. La ventaja fundamental respecto a la fundición

es su capacidad de absorción de vibraciones, que es unas 10 veces

superior. A continuación se presenta un gráfico que compara esta

característica en la fundición y en un material bastante novedoso

denominado “Metalquartz”:

| |

Figs. 3 y 4.- Absorción de las vibraciones de la fundición (izquierda) y del

“Metalquartz” (derecha) |

Esta característica hace que este material sea ideal para bases o

bancadas de máquina. Sus características elásticas y resistentes no lo

hacen, pero no es aconsejable para la construcción de elementos

sometidos a altas cargas de compresión, tracción y flexión. A

continuación se presenta una tabla con las propiedades mecánicas de

este material comparado con las de la fundición gris.

Propiedades | Fundición gris | Polímero |

Módulo de elasticidad E (kg/mm2) | 12.600 | 4.200 |

Resistencia a la tracción (kg/mm2) | 35 | 2,5 |

Resistencia a la compresión (kg/mm2) | 105 | 13 |

Coeficiente de dilatación térmica (µm/Km) | 12 | 12,1 |

Conductividad térmica (W/Km) | 2.286 | 160 |

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

Amortiguación | Normal | Muy alto |

Maquinabilidad | Normal | Baja |

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

la fundición gris |

Véase que, en elementos con esfuerzos, la fundición sigue siendo el

material con más garantías.

Hay que destacar el coeficiente térmico de expansión, ya que en los

materiales políméricos es prácticamente idéntico al de la fundición. Esta



característica evita problemas mecánicos y de precisión en las uniones

fundición-polímero, lo que hace a los materiales políméricos ideales para

ser combinados con la fundición y dar así más capacidad de absorción de

vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra un ejemplo

de una base de una máquina hecha con polímero.

|

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

polimérico |

3.8. Estructura

La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y

amortiguación a las vibraciones, a la vez que condiciona la precisión y la

estabilidad térmica. Además ha de facilitar la carga y descarga de la

pieza, en aras de la ergonomía para el operador.

3.9.11. Parámetros de diseño

Las máquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado,

requieren de una gran rigidez y una elevada respuesta dinámica.

La rigidez es función de los materiales utilizados en la construcción, de la

estructura interna o de los enervados de los elementos constructivos y

de las dimensiones de los carros.

De los materiales de construcción se ha hablado anteriormente.

Suponiendo el material de fundición gris, la estructura interna de los

elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios

que lo conforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el

peso, siempre importante para la respuesta dinámica, y el por precio/kg

de la fundición. Estas estructuras enervadas se diseñan con la ayuda de

métodos de elementos finitos.

|

Fig. 6.- Resultado del diseño FEM de la base de una máquina |

En las dimensiones de diseño es importante evitar al máximo los

voladizos, con las dimensiones máximas de guía, y las mínimas distancias

entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de

trabajo. Los problemas de rigidez más importantes en una máquina-



herramienta son debidos a los esfuerzos de flexión o torsión, más que a

los de compresión o tracción.

En un voladizo, una de las unidireccionales rígidas es proporcional a:

| Ecuación 15 |

donde L es la dimensión del voladizo o, en el caso de la estructura, lleva

cabezal de un centro de mecanizado tipo C, la distancia entre las guías

del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre las guías.

Análogamente para las demás dimensiones:

| Ecuación 16 |

| Ecuación 17 |

donde H es la dimensión de la zona guiada. Estas consideraciones se

pueden comprobar en la figura 7.

|

Fig. 7.- Carro porta-cabezal de un centro de mecanizado tipo C |

Nótese por tanto que, para hacer la estructura más rígida, es preciso

minimizar L y maximizar H y A. Estas consideraciones se pueden hacer

sobre todos los demás elementos estructurales de la máquina, con los

mismos resultados pero diferentes conceptos.

3.9.12. Guías

Los componentes de guía son fundamentales en la dicotomía rigidez-

amortiguación de una máquina.

Las guías son el único elemento de discontinuidad en el sistema

estructural de la máquina y, por tanto, suponen uno de los puntos

débiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad

puede dotar al sistema de una capacidad de absorción de las vibraciones

importante. El sistema de guías determina, en parte, las aplicaciones de

la máquina-herramienta.

Básicamente, las guías pueden ser de tres tipos: guías de fricción

hidrodinámicas, guías de rodadura y guías de fricción hidrostáticas.

3.9.13.1. Guías de fricción hidrodinámicas

Las guías de fricción hidrodinámicas eran las únicas guías comúnmente



utilizadas hasta hace 10 años. Se trata de dos superficies planas o

inclinadas, rectificadas y tratadas térmicamente para aumentar la dureza

superficial, que incorporan una película intermedia de aceite para

mejorar el deslizamiento. Las superficies pueden ser rasqueteadas

dependiendo de la precisión geométrica requerida, y una de las

superficies lleva un recubrimiento de “Turcite” para disminuir el

deslizamiento y mecanizar los conductos de aceite (figura 8).

|

Fig. 8.- Proceso de rasqueteo en una guía con Turcite |

Estas guías se ajustan mediante planos inclinados que acercan o separan

las superficies. Con el desgaste estos planos inclinados pueden

reajustarse, pero las guías hidrodinámicas tienen una vida limitada a 10-

12 años, después de los cuales se tendrían que volver a rasquetear las

superficies.

Estas guías presentan una buena absorción de las vibraciones para la

película de aceite, y el coeficiente de amortiguación es proporcional a la

superficie de contacto. Esta característica las hace ideales para

aplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en aplicaciones

donde el acabado superficial es crítico. Un buen ejemplo seria la

máquina de la figura 9, que se utiliza básicamente para hacer grandes

esfuerzos de corte.

|

Fig. 9.- Estructura de un centro de mecanizado vertical tipo C utilizado

para hacer grandes desbastes |

Se presentan algunos problemas con estas guías. El cizallamiento del

aceite produce resistencia al movimiento, por lo que es necesario un

motor más grande que con otros sistemas para conseguir las mismas

aceleraciones y movimientos en rápido.

Además, se produce un efecto de “stick-slip” debido a la diferencia de

valor del coeficiente estático y dinámico de fricción. Cuando la máquina

se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la fricción del

sistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se



producen constantes cambios de sentido en los ejes, ya que se presenta

una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza a

moverse y después de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip” o

pegar-deslizar. Este efecto no favorece, en principio, a las máquinas que

deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.

3.9.13.2. Guías de rodadura

Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento

de bolas. El elemento fijo monta unas guías rectificadas con unas

superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un

circuito contenido en un bloque precargado y que se fija al elemento

móvil de la máquina. Para cada guía se monta un mínimo de dos

bloques. Cuanto más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá

que montar. Estas guías no necesitan ajuste, y su vida es

presumiblemente mayor que la de las guías hidrodinámicas, si bien no se

dispone todavía de valores estadísticos suficientes para asegurarlo.

| |

Figs. 10 y 11.- Sección de una guía de rodadura con cilindros de la marca

IKO (izquierda) y una guía de rodadura de bolas montada al carro de una

máquina horizontal de la marca THK (derecha) |

Las guías de rodadura presentan una mayor rigidez que las guías

hidrodinámicas del mismo tamaño, pero la capacidad de absorción de las

vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de fricción es mucho más

bajo y, por tanto, se pueden conseguir respuestas dinámicas mucho más

cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.

Estas guías son hoy en día la solución casi exclusiva a las máquinas de

producción que requieren aceleraciones y velocidades muy elevadas

para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo se muestra

el centro de mecanizado vertical de la fotografía siguiente. Este centro

tiene movimientos en rápido de 40 m/min, y está destinado básicamente

a la producción de pequeñas piezas de aluminio prefundido.

|

Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la



producción de piezas. Todas las guías son de rodadura |

3.9. Ejes

La cadena cinemática de los ejes está formada por el soporte del motor,

la unión motor-husillo, los rodamientos de soporte del husillo a bolas, el

mismo husillo de bolas y la unión con el carro del eje. Este sistema

determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión de

posicionamiento, junto al servomotor de mando y el sistema de

captación de posición.

3.10.13. Uniones

Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque

son las primeras en transmitir el par del motor. Las uniones pueden ser

básicamente directas o indirectas.

3.10.14.3. Uniones indirectas

Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el

motor y el husillo a bolas. Esta solución se adopta básicamente para

problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar el

par o la velocidad de salida del motor con una proporción reductora o

multiplicadora respectivamente.

Esta solución no es recomendable en una máquina de alta velocidad,

porque la transmisión a correa rebaja la rigidez del sistema debido a la

elasticidad de la correa y, especialmente, a frecuencias de trabajo altas.

Además también afecta a la precisión del eje, si bien el error cometido

depende mucho del montaje del sistema de medida, como ya sabemos

de un capítulo anterior.

La ventaja más importante de estos montajes es el aislamiento térmico

del motor, cosa que evita evacuar con tanta urgencia el calor que genera.

3.10.14.4. Uniones directas

Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos

del husillo y del eje del motor. Estas uniones pueden tener diferentes

grados de rigidez.

Las uniones más rígidas son simplemente una pieza sólida de acero.

Éstas proporcionan mucha precisión, pero obligan a un montaje muy



preciso porque no absorben ninguna desalineación de los ejes motor y

husillo. Esta desalineación crea un esfuerzo cíclico, que puede producir la

rotura de alguno de los ejes por fatiga.

Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan

cierta flexibilidad radial y axial, pero en cambio tienen mucha rigidez

torsional. Éstas son, sin duda, las más utilizadas en las máquinas de alta

velocidad.

|

Fig. 13.- Zona de unión del eje |

3.10.14. Husillo de bolas

Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento

rotativo del motor en movimiento lineal de la hembra del husillo. En la

rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por

la hembra. Ésta suele ser doble con moldes intermedios que compensan

la holgura con las pistas del husillo.

El paso del husillo es un elemento básico de diseño que determinará el

par necesaria para mover determinada carga y la velocidad máxima

lineal, dada una velocidad máxima angular del motor. La aplicación de la

máquina influirá entonces en la determinación de este parámetro.

La precisión del rectificado del husillo puede influir en la precisión del eje,

especialmente si se utilizan sistemas de medida rotativos. Esta precisión

se especifica con el grado C del husillo.

La rigidez del husillo de bolas es determinada por su geometría

(diámetro, longitud) pero también por el sistema de fijación del husillo en

sus extremos. La rigidez es proporcional a:

| Ecuación 18 |

Donde E es el módulo de elasticidad del acero, I la inercia del husillo

(=πØ2/64), L su longitud y α un factor que depende del sistema de

fijación del husillo.

Básicamente uno de los extremos del husillo puede estar:

* Libre: o sin ningún soporte.

* Soportado: con un rodamiento radial que lo fija radialmente pero lo



deja libre axialmente.

* Fijo: con un juego de 2 o más rodamientos angulares en oposición que

lo fijan radial y axialmente.

En general, las soluciones a las máquinas de alta velocidad son extremos

fijo-soportado o fijo-fijo (extremo del motor en primer plano). El factor α

para estas soluciones es 2 y 4. La solución fijo-fijo es por tanto la mejor

cuando se requiere una gran rigidez.

La fórmula anterior también indica que la esbeltez (L/D) del husillo es

fundamental a la hora de calcular su rigidez. Pensemos que el diámetro

no se puede aumentar indiscriminadamente, porque en los montajes

horizontales un peso excesivo hace tambalear el husillo lo que puede

provocar vibraciones al sistema por la rotación de la masa

desequilibrada.

3.10. Cabezal

El cabezal es el corazón de la máquina-herramienta. El diseño de la

máquina depende de la capacidad del cabezal, o sea de la velocidad

angular máxima, la potencia, y el par que necesitamos desarrollar para

una aplicación determinada. Como ya se ha visto en el apartado 1, el

diseño del cabezal es un continuo compromiso entre las características

funcionales y la vida y coste del mismo.

La rigidez de un cabezal depende fundamentalmente del tamaño,

precarga y tipo del rodamiento utilizado. Por tanto hay que estudiar con

detalle las opciones que ofrece el mercado con el fin de obtener el mejor

rendimiento en la aplicación sometida a estudio. Para aplicaciones de

taladrado y roscado habrá que optimizar la rigidez axial, mientras que

para las operaciones de fresado es más importante la rigidez radial. La

rigidez, por tanto, es determinada por la aplicación y potencia que se

desee desarrollar.

La vida del cabezal se calcula mediante el número DN. Este número tiene

un valor funcional que se determina mediante:

| Ecuación 19 |

O sea que depende de la rigidez y de la velocidad que se desee obtener.



Para que la vida de los rodamientos sea adecuada, este número ha de

ser menor al valor DNconstructivo, que se determina según el tipo de

jaula, tipos de bola, precisión y lubricación del cabezal. Por tanto:

| Ecuación 20 |

Por tanto, dada una aplicación y las características del rodamiento, las

revoluciones máximas del cabezal dependen fundamentalmente del tipo

de lubricación de sus rodamientos.

Lo más importante de la relación DNfuncional es que ejemplariza la

dicotomía entre la velocidad y la potencia del cabezal. Veremos cómo los

requerimientos de las aplicaciones son casi siempre imposibles de

diseñar con un coste razonable y, por tanto, la capacidad de la máquina

está también casi siempre limitada por las características del cabezal.

Antes de hablar de los diferentes tipos de cabezal es preciso desarrollar

algunas consideraciones que determinarán el uso de los mismos.

3.11.15. Rodamientos

Las características mecánicas de un cabezal están determinadas por las

de los rodamientos.

No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la

precarga con los que los rodamientos sean montados. En la parte frontal

del cabezal se montan en oposición uno o más pares de rodamientos de

bolas de contacto angular (normalmente 30º) precargados. Estos tendrán

que situarse lo más cerca posible de la zona de corte, dado que son los

que soportan toda la carga.

En la parte de atrás, en cambio, se montan rodamientos de bolas o

cilíndricos radiales, que permiten un cierto movimiento axial cuando se

alarga el rotor para el incremento de temperatura. En la figura 14 se

muestra un ejemplo de cabezal para máquina-herramienta. La

transmisión de potencia se hace mediante rueda dentada (en color verde

en el gráfico).

Los materiales utilizados en la construcción del cabezal también son

importantes. La solución clásica se compone del cabezal con jaula y bolas

de acero, mientras que más modernamente se montan rodamientos



híbridos que se componen de jaula de acero y bolas de nitruro de silicio.

Estas nuevas bolas mejoran las características según las siguientes

características:

* Mayor módulo de elasticidad E: La deformación de las bolas bajo carga

es menor que en las bolas de acero por lo que mejoraremos la rigidez del

cabezal.

* Más dureza: Las bolas de nitruro de silicio se desgastan menos,

disminuyendo a la vez las partículas de contaminación que se

desprenden de su superficie y aumentando por tanto la vida del

rodamiento.

* Menor coeficiente de dilatación térmica: que estabiliza el tamaño y por

tanto la precarga del rodamiento cuando aumenta la temperatura del

cabezal. Un exceso de precarga puede producir el fallo prematuro de los

rodamientos.

* Menor masa: La densidad específica del nitruro de silicio es menor que

la del acero. Así disminuyen las fuerzas centrífugas que generan las bolas

contra la jaula exterior disminuyendo también la generación de calor.

Otra solución es la adopción de bolas de acero pero de tamaño más

pequeño. Estas disminuyen la rigidez total del rodamiento.

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

Todas estas consideraciones permiten afirmar que los rodamientos

híbridos tienen una mejor relación potencia / revoluciones. Pero estos

rodamientos son más frágiles y tienen, por tanto, más posibilidades de

destrucción instantánea que los rodamientos de bolas de acero,

especialmente en aplicaciones donde los esfuerzos de corte más se

parecen a percusiones.

3.11.16. Método de lubricación

El método de lubricación es, como se comprueba en la relación DN,

decisivo a la hora de diseñar un cabezal. Para un cabezal de revoluciones

determinadas, el tamaño de los rodamientos, y por tanto su rigidez,

viene determinada por la lubricación de los mismos.



Para todas las aplicaciones de mecanizado convencional, y para las

aplicaciones de alta velocidad donde las exigencias de velocidad angular

del cabezal sean pequeñas, la lubricación con grasa es suficiente. Esta

lubricación es permanente, y por tanto sólo se realiza en el montaje de

los rodamientos. Proporciona una gran fiabilidad, sencillez de

construcción y un bajo coste de producción. Este es por tanto el método

que se aplica siempre que las condiciones de velocidad lo permitan.

La limitación del sistema es que, si se genera mucho calor, la grasa puede

llegar a licuarse y desprenderse de las superficies lubricadas. Bajo estas

condiciones la vida del rodamiento se reduce inmediatamente,

produciéndose un fallo prematuro.

Si la aplicación de grasa no es suficiente entonces se utiliza lubricación

aire-aceite. Ésta consiste en la aplicación de aceite lubricante vaporizado

en aire, que es el vehículo de transporte del aceite. Esta vaporización de

aceite se realiza directamente a las jaulas de los rodamientos. El sistema

permite llegar a valores de DNconstructivo del orden del 20 al 30% más

grandes que con la grasa permanente, y por tanto aumentar la velocidad

angular máxima del cabezal en la misma proporción.

Este sistema es mucho más caro y menos fiable que el anterior. Hay que

diseñar y construir conductos, mezcladores aire-aceite y colectores de

para evitar que éste se riegue por el frente del cabezal. Además, puesto

que se hace trabajar los rodamientos a un 20-30% más de su limitación

de velocidad, si algunos de estos sistemas deja de funcionar el fallo es

inmediato. Por tanto, hay que utilizar sistemas sensoriales de control que

todavía hacen más cara la aplicación y reducen inexorablemente la

fiabilidad del cabezal.

Se han desarrollado otros sistemas con tal de mejorar la relación

potencia / revoluciones en aplicaciones de alta velocidad. En el apartado

3 se hablará de uno de ellos.

3.11.17. Generación de calor

El calor es la principal causa de fallo de los cabezales de alta velocidad, y

es uno de los puntos de estudio más importantes en el desarrollo futuro



de los centros de mecanizado de alta velocidad. En el apartado 2.6 se

realiza un estudio más profundo de la generación, los problemas y la

evacuación del calor en el cabezal.

3.11.18. Fuerza de sujeción

La rigidez del cabezal no se podría valorar por completo si no se tuviesen

en cuenta los tipos de interfase con la herramienta de corte y su

sujeción. La rigidez del conjunto herramienta-portaherramienta-cabezal

determinará la capacidad de corte del cabezal.

En el mecanizado tradicional se han utilizado casi siempre fijaciones BT (o

similares) para fijar el portaherramientas al cabezal. En el mecanizado de

alta velocidad de más de 12.000-15.000 rpm, o en aquéllas donde los

esfuerzos de corte son muy grandes, es necesario instalar un sistema

HSK.

A modo de ejemplo, pensemos que la fuerza de sujeción que se puede

aplicar a una interfase BT-40 es, como máximo, de 10kN, mientras que a

una interfase HSK-A63 equivalente es de 18kN. La rigidez del sistema

será por tanto casi el doble.

En la figura 15 se muestra un gráfico comparativo de las interfases BT50

(o ISO50) y HSK-A100, y en la tabla 5 se comparan ambos sistemas.

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

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| ISO 50 | HSK-A100 |

Rigidez | Normal | 5 veces mayor debido al contacto frontal |

Repetibilidad medida a 180 mm del cabezal | 12 µm | 3 µm |

Longitud de la estructura | 136 mm | 50 mm |

Momento de torsión dinámico | 2500 Nm | 4750 Nm |

Tabla 5.- Comparación de las interfases BT50 (o ISO 50) y HSK-A100 |

Además, es importante señalar que la fijación de estas interfases se hace

mediante una pinza que, en el caso del BT, la toma por fuera y, por tanto,

con la fuerza centrífuga tiende a aflojarse. Mientras que el HSK la toma

por dentro y, en estas mismas condiciones, la fija todavía más fuerte.



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.

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Fig. 16.- Aspecto físico de un cabezal con interfase HSK |

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Fig. 17.- Esquema de un cabezal con interfase HSK-A100 donde se

muestra la pinza de fijación |

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3.11.19. Tipos de cabezales

Con estas consideraciones se está ya en condiciones de introducirse de

lleno en el estudio de los distintos tipos de cabezales y valorar su

aplicación en diferentes campos de la alta velocidad.

3.11.20.5. Cabezal con transmisión de engranajes

Este tipo de cabezal es la evolución de los antiguos cabezales de motor

continuo, donde la velocidad se controlaba variando la relación de las

poleas de fricción cónicas. Hoy en día, los motores empleados son

motores de inducción con control vectorial - en muchos casos con

feedback de posición - y las transmisiones están realizadas con ruedas

dentadas – y, en general, con dos gamas (figura 18).

|

Fig. 18.- Montaje de cabezal con transmisión de engranajes. El eje azul se

desplaza para hacer el cambio de gamas |

La ventaja de estas transmisiones es su capacidad para multiplicar el par

del motor, a menudo por cuatro. Además, el motor está aislado del

cabezal y, por tanto, es más fácil controlar el calor generado por las dos

unidades separadas.

Los inconvenientes más destacables son la poca eficiencia (70%), el ruido

y las vibraciones generadas en el corte. Además, la velocidad máxima en

punta de herramienta no supera nunca las 8000 rpm.

Este tipo de cabezales son ideales para aplicaciones de alta velocidad

donde hace falta mucha potencia a bajas revoluciones: o sea un gran par.

En algunas condiciones de corte de titanio, por ejemplo, con



herramientas de diámetros grandes pueden ser necesarios de 1000 a

2000 Nm.

3.11.20.6. Cabezal con transmisión para correas

Esta construcción del cabezal es probablemente la más utilizada hoy en

día en centros de mecanizado convencionales. Es fácil de montar, y por

tanto muy económica. Además, dependiendo de las correas y la relación

de poleas que se instalen, podemos obtener un cabezal con un alto par a

bajas revoluciones o un cabezal con velocidades de hasta a 15.000 rpm

con un nivel de vibraciones y ruido aceptable para muchas aplicaciones.

El inconveniente de estos sistemas es que, precisamente al ser versátil, ni

la potencia a bajas revoluciones es suficiente en las aplicaciones con más

requerimientos de par, ni el nivel de vibraciones a altas revoluciones es

aceptable en aplicaciones donde los acabados superficiales sean críticos.

Además, dependiendo de las correas, se genera bastante calor, que está

sin embargo siempre aislado en el motor y en el cabezal. Pero el punto

más débil del cabezal es el rodamiento de suporte posterior: las correas

ejercen una fuerza radial que limita en mucho casos la vida de este

rodamiento (figura 19).

|

Fig. 19.- Cabezal con transmisión para correas. La fuerza tirante de los

correas puede hacer disminuir la vida de los rodamientos posteriores |

Este cabezal, con mejoras en la transmisión por correas (para reducir el

ruido y las vibraciones) y un montaje con doble rodamiento entre los

cuales se sitúa la polea de transmisión (para evitar el fallo), se utiliza

todavía en muchas máquinas resultado de la evolución de otras

convencionales para hacer mecanizado de alta velocidad.

3.11.20.7. Cabezal con acoplamiento directo

Este tipo de cabezal elimina las vibraciones y los ruidos de las

transmisiones, por lo que se puede llegar a velocidades de hasta a 20.000

rpm con muy buenos acabados superficiales. Como ejemplo podemos

mencionar los centros de mecanizado Yasda modelo YBM de fabricación

japonesa.



En este montaje el motor debe estar bien equilibrado, y la alineación del

motor y el cabezal ha de ser excelente para evitar desequilibrios que

induzcan fuerzas radiales a los rodamientos posteriores del cabezal. El

fabricante Yasda incorpora además un acoplamiento elástico de

fabricación propia que absorbe las vibraciones del motor.

También hay que tener en cuenta el aislamiento térmico del motor y la

absorción por parte del acoplamiento del posible alargamiento del eje de

éste hacia abajo y las del cabezal hacia arriba. Si no, podrían aparecer

fuerzas En la figura 20 se muestra un cabezal con acoplamiento directo.

|

Fig. 20.- Cabezal con acoplamiento directo. Los circuitos de refrigeración

aíslan el calor del motor del cabezal. |

Con todas estas consideraciones, el precio de estos cabezales es

relativamente bueno, sobre todo respecto al coste de los cabezales

integrados.

3.11.20.8. Cabezal integrado

Éstos son, sin duda alguna, los cabezales más utilizados en las máquinas-

herramienta de alta velocidad del mercado actual.

Este concepto integra el motor dentro de la estructura del cabezal, con el

fin de evitar cualquier tipo de transmisión y, por tanto, reducir al máximo

las vibraciones generadas. En los motores para esta aplicación se venden

el estator y el rotor por separado, con el rotor vacío para integrar los

mecanismos del cabezal. El motor queda en medio de los rodamientos

frontales y posteriores.

Las limitaciones de velocidad de estos cabezales son las de los

rodamientos. Se encuentran ejemplos de todas las velocidades y

potencias. Sus características de vibración son excelentes (menos de 2 µ

pico a pico en muchos casos) y el ruido es mínimo.

Los dos grandes inconvenientes de estos tipos de motor son su precio y

la evacuación del calor generado por el motor.

El precio de compra es elevado por la complejidad del montaje, aunque

cuando se extienda todavía más, los precios de los motores vacíos



deberían bajar. También es costosa la reparación del cabezal, porque

cuando aparece un problema en el cabezal (rodamientos) o en el motor

la consecuencia es la misma: hay que sustituir todo el conjunto. Esta

característica obliga a los fabricantes a tener un servicio de reposición de

estos cabezales eficaz, extenso y por tanto caro.

Con respecto al calor, en este cabezal, además de extraer el calor de la

parte exterior de los cabezales, hay que extraer el calor del estator del

motor, aumentando la potencia refrigeradora y haciendo los circuitos

más complejos. Además, en los cabezales de inducción los rotores

generan mucho calor en la chapa apilada, que se transmite directamente

al eje rotativo del cabezal. Por tanto, el gradiente es todavía más difícil de

controlar.

En el esquema de la figura 21 se muestra la construcción de uno de estos

cabezales.

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Fig. 21.- Cabezal integral |

Otra de las problemáticas tanto de este tipo de cabezales como de los de

acoplamiento directo era la imposibilidad de obtener buenos pares a

bajas y a altas revoluciones. Este problema se ha resuelto incorporando

motores de doble bobinado, que utilizan uno de 6 pulsos a bajo régimen

y otro de 2 pulsos para régimen elevado. Es como si se cambiara el

motor dependiendo de las revoluciones de trabajo. Este cambio se

controla electrónicamente, y se realiza por tanto de forma dinámica.

3.11. Elementos auxiliares en el mecanizado

Estos elementos no determinan, generalmente, el diseño estructural de

la máquina pero, para obtener un resultado óptimo, son tan importantes

como el resto de características. El diseño de estos sistemas ha de

asegurar el correcto funcionamiento de una máquina en ciclos de trabajo

exigentes, minimizando a la vez los tiempo de no-corte (sobre todo en las

aplicaciones de producción de piezas).

3.12.20. Cambio automático de herramienta

Con el cambio automático de herramientas se dota a la máquina de



independencia respecto a la presencia del operario para ejecutar un

trabajo con diferentes herramientas.

En las aplicaciones donde los ciclos de trabajo con una herramienta son

largos, los tiempos de cambio de herramienta son despreciables. En

cambio, en aplicaciones de producción donde las operaciones de cada

una de las herramientas no supera en muchos casos los 10 s, un cambio

de herramienta de 8 s supondría una relación insoportable.

En el primer caso las soluciones adoptadas son múltiples, pero siempre

sencillas. En la figura 22 se presenta la fotografía de un cambiador tipo

paraguas. Éste mueve todo el almacén hacia el cabezal y aprovecha el

movimiento del mismo para cambiar la herramienta.

|

Fig. 22.- Cambiador de herramienta tipo paraguas |

Se trata de una solución muy popular en los centros de mecanizado de

bajo coste. Sus dos desventajas son la invasión de la zona de trabajo por

las herramientas y la posibilidad de ensuciar los portaherramientas con

el peligro de excentricidad cuando gira si la viruta se ha quedado

enganchada en el cono.

En el segundo caso, el cambiador siempre debe tener una estación

intermedia entre el almacén y si mismo para poder seleccionar la

herramienta del almacén antes de ejecutar el cambio de herramienta.

Este elemento intermedio incorpora además un brazo, que a menudo es

accionado mediante una leva mecánica que ejecuta las acciones con un

solo movimiento rotativo. Estos sistemas de leva mejoran la fiabilidad y la

rapidez del cambio. En el mercado existen cambios de estas

características que cambian la herramienta en menos de 0,9 s.

La figura 23 muestra uno de estos cambios en un centro vertical. En este

caso las herramientas también están expuestas a las virutas de la

mecanizado.

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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 de los ejes se sitúan bajo el cabezal,

como por ejemplo en el centro horizontal de la siguiente fotografía.

|

Fig. 24.- Centro de mecanizado horizontal con dos de los ejes situados

debajo del cabezal, y donde el que el cambio de herramienta se

encuentra aislado por una puerta |

3.12.21. Cambio automático de palets

El cambio automático de palets intenta dar autonomía a la máquina e

integrar el tiempo de preparación de la pieza en el tiempo de

mecanizado. Mientras uno de los palets está dentro la zona de trabajo el

otro está fuera, y el operador trae la pieza acabada y prepara la

siguiente.

En el mercado existen, básicamente, dos tipos de cambiadores de palets:

cambiador paralelo y cambiador rotativo.

En el cambiador paralelo la tabla realiza un movimiento de traslación

entre las operaciones de carga y descarga. Por tanto, el cambio se

compone de tres movimientos básicos. Este tipo de cambiador se utiliza

sobre todo en centros verticales, cuando el cambio de palets sea lateral

(para no ocupar el lugar del operador). También se utiliza en centros

horizontales con el eje X bajo la tabla. En ningún caso se trata de un

cambio rápido. Ver la figura 25 como ejemplo.

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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 que engancha los dos palets y le intercambia

las posiciones. Este cambio es mucho más rápido y mas adecuado en

aplicaciones donde sea preciso reducir mucho el tiempo de no-corte

(sobre todo si el ciclo de mecanizado por palet es pequeño). En las

figuras 26 y 27 se presentan dos soluciones de este tipo para centro de

mecanizado vertical y horizontal.

| |

Figs. 26 y 27.- Cambiadores de palets rotativos para centro de



mecanizado vertical (arriba) y horizontal (izquierda) |

3.12.22. Evacuación de la viruta y refrigeración del corte

Los altos rendimientos de corte que se han visto se pueden conseguir

con el mecanizado de alta velocidad, tienen que ser asegurados por

sistemas de extracción de la cantidad de viruta que se extrae y

mejorados con buenos sistemas de refrigeración de la herramienta.

En aplicaciones de desbaste en aluminio la generación de viruta puede

ser de hasta a 5 l/min de material compacto, que se pueden convertir en

20 o 30 litros de viruta. Si el sistema de extracción de viruta no es capaz

de extraer el mismo caudal de viruta, ésta se acumulará en la zona de

trabajo imposibilitando, antes o después, el trabajo. En cambio, en el

caso de mecanizado de figuras 3D de pequeñas dimensiones, puede que

en una semana no se generen ni 20 l de viruta, por lo que la extracción

manual es suficiente.

Igualmente, los sistemas de refrigeración del corte con taladrina deben

ayudar a la evacuación de la viruta además de cumplir su objetivo de

enfriar el corte. Las chapas de la zona de trabajo deben ser entonces

diseñadas para evitar las acumulaciones de taladrina. Así pues, en las

zonas con este peligro hay que proyectar chorros de taladrina para

evacuarla.

3.12. Control térmico y evacuación del calor

A lo largo del apartado 2 se ha hecho referencia a la generación de calor

de los sistemas de la máquina-herramienta, y entreviendo algunos de los

sistemas de evacuación que se utilizan. En este apartado se desea

realizar un compendio de todos estos focos de calor con el fin de

destacar la importancia de su evacuación.

Uno de los conceptos más importantes en algunas de las aplicaciones

que utilizan la tecnología del mecanizado de alta velocidad es la

precisión. Si sabemos que:

| Ecuación 21 |

donde ∆L es el aumento de longitud de un cuerpo de longitud L, ∆T el

diferencial de temperatura del cuerpo y α el coeficiente de dilatación



térmica del material del cuerpo, de esta relación se pueden extraer las

siguientes conclusiones:

la dilatación térmica depende de la característica propia del material α.

Para los materiales mas utilizados en construcción:

αfundición = 12,1 µ/Km

αpolímero = 12 µ/Km

αacero = 11,7 µ/Km

Por este motivo se suelen utilizar combinaciones de fundición y

hormigón polimérico.

La variación de longitud del cuerpo depende también de su dimensión

inicial L. Por lo tanto, es importante hacer las estructuras lo más

compactas posible. Visto de otra manera, las máquinas no deberían ser

sobredimensionadas, especialmente si se desea producir piezas con

tolerancias muy estrechas.

Si hay que producir piezas con tolerancias menores que 0,010 mm, la

temperatura no debería variar más de 1 o 2 ºC los sistemas de la

máquina. Esto obliga a mantener estos sistemas termoestables, y a

mantener la temperatura ambiente también constante (±0,5 ºC).

Una buena medida del comportamiento termodinámico de un sistema es

la evaluación de su eficiencia. La energía perdida se transforma en

deformaciones o calor. Todas estas consideraciones obligan a poner

especial atención a la termodinámica de cada uno de los sistemas de la

máquina, con el fin de elegir el mejor sistema de evacuación.

3.13.23. Motores de los ejes

El calor generado en el motor es proporcional a las aceleraciones que se

desee obtener. Este calor se podría transmitir al soporte y al husillo de

bolas. Por tanto, sobre todo en las máquinas con altas aceleraciones, hay

que evacuar este calor. Los fabricantes de servomotores no integran, hoy

por hoy, sistemas de evacuación de calor como estándar, pero algunos

fabricantes de máquinas montan sistemas de convección forzada

(ventiladores).

Siempre que se evacua el calor de un sistema hay que intentar no



dirigirlo hacia otro. Por eso a veces es difícil la aplicación de estos

ventiladores en algunos motores. Algunos fabricantes piensan en este

factor por el diseño de la estructura de la máquina.

3.13.24. Husillo de bolas

El calor generado en el husillo de bolas se produce básicamente en la

fricción de la rosca del husillo y en la hembra de bolas. Como en el caso

del motor, cuanta más alta respuesta dinámica se requiera del sistema

más elevada es la generación de calor.

Como en los husillos L es bastante grande, la dilatación térmica puede

ser bastante acusada. Pondremos como ejemplo un husillo de 1 m de L

en acero. Si la temperatura cambia 2 ºC :

| Ecuación 22 |

Estos valores son totalmente inaceptables siquiera en una máquina

pensada para producir piezas de precisión media. Además, la variación

de longitud afecta a los soportes del husillo cambiando las precargas de

los rodamientos de contacto angular y, por tanto, a la rigidez del sistema.

Esta variación puede afectar al ajuste del servosistema.

En estos casos se utilizan refrigeraciones con aceites que pasan por los

husillos agujereados como un primer paso para evitar las dilataciones

excesivas. Ver figura 28.

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Fig. 28.- Refrigeración con aceite que pasa por los husillos agujereados

como un primer paso para evitar las dilataciones excesivas |

Otra solución complementaria es montar los husillos con suportes fijo-

fijo con pretensión. Esta pretensión intenta absorber parte de los efectos

de dilatación, haciendo el sistema más robusto ante las pequeñas

variaciones de temperatura.

Estos sistemas son más complejos que otra solución adoptada por la

mayoría de fabricantes que prevén problemas en este sentido. La

solución se basa en dejar que el husillo se dilate o encoja. Estas

variaciones de L serán compensadas por un sistema de medida lineal.

Hay que decir que este sistema es una solución buena sólo si la regla



está montada cerca del husillo y la zona de suporte es termoestable, con

el fin de no inducir a errores angulares en la medida.

Con el fin de asegurar la precisión del eje, la solución ideal seria adoptar

estas tres soluciones.

3.13.25. Cabezal

La generación de calor es, en última instancia, la causa de fallo y ruptura

del cabezal excepto en casos de colisiones violentas. Es por tanto

importante que se sepa qué elementos pueden aportar calor al sistema

con el fin de evitarlo, o bien evacuar el calor de forma óptima.

Además, el calor generado y transmitido al cabezal que no sea evacuado,

afecta a la precisión del eje Z por la dilatación térmica del propio cabezal,

y se transmite al carro porta-cabezal afectando seriamente la precisión

del eje perpendicular al eje principal del carro. Por ejemplo, en un centro

de mecanizado vertical tipo C, el calor generado en el cabezal afecta

tanto o más al eje Y que al eje Z.

El calor se genera en primer lugar en la zona de corte, aunque el

mecanizado de alta velocidad intente reducir la transmisión de calor por

conducción del punto de corte a la herramienta. Este calor se transmite a

la parte rotativa del cabezal y, por tanto, directamente, a la jaula interior

de los rodamientos.

También se genera calor por el roce entre las bolas y la jaula del

rodamiento, debido al desequilibrio del rotor y a las propias bolas por la

fuerza centrífuga del giro. Cuanto más grande sea el tamaño del rotor,

más desequilibrio y más fuerza centrífuga.

Por último, hay que tener en cuenta el calor generado por el motor, que

puede transmitirse al cabezal.

Se observa entonces cómo la mayor parte del calor generado o

transmitido al cabezal se concentra en el rotor. Desgraciadamente, los

sistemas de refrigeración afectan al estator del cabezal (por razones

obviamente tecnológicas) y, en menor medida, a las bolas de los

rodamientos (el aceite vaporizado por el aire puede, además de lubricar,

refrigerar esta zona). Este enfriamiento exterior, siendo necesario,



provoca una diferenciación térmica entre la jaula interior y exterior del

rodamiento que hace aumentar la precarga. Si ésta no se controla se

puede provocar un aumento descontrolado del calor generado y la

destrucción final de los rodamientos.

A la hora de estudiar los sistemas de evacuación de calor en los

cabezales de las máquinas-herramienta de alta velocidad hay que tener

en cuenta que este sistema tiene una variación muy importante de calor

generado en función de la velocidad de trabajo del cabezal. En muchas

de las aplicaciones los cambios de herramienta son continuos, a cada

herramienta le corresponde una velocidad de trabajo y, por tanto, una

generación de calor propia. Y un nuevo esfuerzo al sistema de

evacuación para estabilizar la temperatura.

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Fig. 29.- Circuito de refrigeración de un cabezal |

La primera consecuencia del fuerte trabajo al que se ve sometido el

sistema de evacuación es que hay que elegir un sistema de refrigeración

que independice la temperatura ambiente de la regulación de la

temperatura del circuito del cabezal. Éste ha de tener, por tanto, otro

circuito de gas con compresor que pueda responder con rapidez a estos

cambios de calor generados por el cabezal. En la figura 29 se presenta un

esquema de refrigeración de un cabezal integrado.

Por tanto, hay que dimensionar el refrigerador para que el sistema tenga

la menor constante de tiempo posible. Es decir: para que vuelva a una

temperatura “estable” tras un cambio de velocidad, de la forma más

rápida posible. Además, este dimensionamiento ayudará también a

obtener un rizado de la temperatura mínimo cuando el cabezal

mantenga la velocidad.

Aunque estos sistemas evacuen el calor con mucha rapidez, nunca se

podría tener un sistema suficientemente grande como para mantener

totalmente constante la temperatura del cabezal a cualquier velocidad.

Este es el motivo por el cual muchos fabricantes compensan la dilatación

del eje Z dependiendo de la ∆T y de la constante de tiempo del sistema



de refrigeración, con tal de mantener la precisión del eje Z. Esta función

es especialmente importante en la producción de moldes de precisión

con figuras 3D.

En la figura 30 se presenta la característica exponencial de la dilatación

del eje Z en un cabezal integrado pasando de 0 a 14.000 rpm. La

constante de tiempo de este cabezal es de unos 6 min. En la figura 31 se

muestra la característica de variación del eje Z con velocidad constante.

| |

Fig. 30.- Gráfico de dilatación del cabezal en función del tiempo, cuando

pasamos instantáneamente de 0 a 14.000 rpm en el cabezal integral de

un centro de mecanizado de alto rendimiento | Fig. 31. - Rizado de la

dilatación del eje Z respecto al tiempo, debido a la compensación térmica

constante a la que está sometido el cabezal. Los valores de pico son

0,003 mm |

3.13.26. Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte

En general las estructuras de las máquinas envuelven o suportan la zona

de trabajo. En esta zona se produce una gran cantidad de calor, cuya

mayor parte se transmite a las virutas y al líquido refrigerante en caso

que se utilice.

Estos dos elementos caen en las zonas laterales de la mesa de trabajo,

transmitiendo su calor a los elementos de protección de los ejes y a la

estructura. Esta aportación de calor localizada genera gradientes de

temperatura a partes de la estructura que pueden entonces sufrir

distorsiones y pérdidas de precisión.

En las máquinas donde se produzca una gran extracción de viruta y que

estén destinadas a la producción de piezas de precisión, la zona de

trabajo tendría que aislarse de la estructura de la máquina con cámaras

de aire que hagan de barrera térmica.

3.13.27. Sistemas auxiliares

Otros componentes que deben que ser tenidos en cuenta a la hora de

termoestabilizar la estructura de la máquina son los armarios eléctricos,

las centralitas hidráulicas y, en general todos aquellos sistemas que



generen calor alrededor de la máquina.

A menudo es necesario compactar el volumen de la máquina para

facilitar el transporte y obtener el máximo rendimiento del suelo

industrial. Por eso se suelen enganchar o colgar estos sistemas auxiliares

en la estructura de la máquina. Si se hace esto hay que diseñar barreras

térmicas entre éstos y la estructura, con tal de evitar la aportación de

calor por conducción.

3. NUEVAS TENDENCIAS

En los últimos años se han realizado algunas incursiones en nuevas

tecnologías con tal de mejorar algunas de las aplicaciones del

mecanizado por arranque de viruta. A continuación se presentan dos de

éstas.

4.13. Hexápodos

Los hexápodos son construcciones de máquinas-herramienta que basan

los movimientos del cabezal en 6 barras accionadas por servomotores.

Esta construcción es mucho más compleja para soluciones con 3 ejes,

porque para describir una línea recta paralela a uno de los ejes

cartesianos es preciso interpolar los 6 ejes de las barras.

En cambio, puede presentar mejoras en soluciones de 5 ejes, porque las

6 barrAs ya pueden incluir los 2 movimientos de rotación del cabezal.

La principal ventaja de este tipo de estructuras es la ligereza de los

“carros”, que permiten dinámicas con aceleraciones muy elevadas con

motores relativamente pequeños.

En la figura 32 se presenta una vista posterior de una de estas

estructuras hexápodas.

|

Fig. 32.- Vista de la parte posterior del centro de mecanizado Urane de

alta velocidad del fabricante Renault Automation (actualmente parte del

grupo Comau) |

4.14. Mecanizado por láser

En los últimos años la firma alemana Deckel-Maho ha presentado una

tecnología que puede sustituir algunas de las aplicaciones actuales de los



centros de mecanizado. Se trata de el mecanizado por láser, que aporta

una cantidad de energía mucho mayor por superficie, y que volatiliza el

acero.

Esta tecnología puede tener algunas ventajas:

* El rayo láser tiene sólo 0,1 mm de diámetro. Por tanto se pueden

realizar figuras con este radio y a cualquier profundidad.

* Al no utilizar herramientas, el operador no debe preocuparse de

ruptura alguna, por lo que el proceso puede ser muy fiable. Además, el

coste de la operación se mantiene bajo.

* Se puede mecanizar cualquier tipo de material, incluso materiales

cerámicos o carburo de tungsteno.

Esta tecnología podría, por tanto, sustituir a la electroerosión y al centro

de mecanizado en algunas aplicaciones. De todas formas, el rayo láser

extrae muy poco material por unidad de tiempo y, por este motivo, esta

aplicación sólo es adecuada para pequeñas operaciones de grabado.

En las figuras 33 y 34 se muestra una vista de la máquina y un esquema

con el funcionamiento del rayo.

| |

Fig. 33.- Vista de la máquina Deckel DMU 60 L | Fig. 34.- El

direccionamento del eje se hace rotando dos planos reflectores. Los

sistemas de accionamiento, es por tanto, muy simple |

Herramientas para mecanizado a alta velocidad

Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López / Centro de

Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker

1. INTRODUCCIÓN:

En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV

no existiría si no se dispusiera de herramientas capaces de soportar las

nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadas

temperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las

herramientas suponen actualmente una limitación en el mecanizado.

Una limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las



causas más comunes por las que se desgastan las herramientas:

* Desgaste por abrasión: desgaste producido por el contacto entre

materiales más duros que la herramienta y la propia herramienta

rayándola y desgastándola.

* Desgaste por adhesión: cuando en la zona de corte debido a las altas

temperaturas, el material de corte y la herramienta se sueldan y, al

separarse, parte de la herramienta se desprende.

* Desgaste por difusión: desgaste producido por el aumento de la

temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre

las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie

de la herramienta.

* Fallas mecánicas: fallas producidas por estrategias, condiciones de

corte, herramientas, etc. inadecuadas.

El material de la herramienta debe cumplir con habilidades específicas

tales como:

* Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformación pero

tenaz para resistir los cortes intermitentes e inclusiones.

* Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y

estable para resistir la oxidación, para evitar que se genere el filo

recrecido y desgaste prematuro.

Estas propiedades permitirán mecanizar con altas velocidades de corte,

aumentar la vida de las herramientas, permitir obtener la mejor calidad

superficial y dimensional posible en la pieza a mecanizar.

Pero, ¿cómo sabremos qué herramientas utilizar, qué papel juega cada

una de sus propiedades? ¿Cómo seleccionaremos la herramienta

adecuada para cada material?. Y, para cada aplicación en concreto,

¿cuáles son los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta

como en la calidad superficial de la pieza: los recubrimientos, su

geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de

mecanizado, longitud de la herramienta, etc.?

Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un

estudio de las herramientas.



2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:

Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres

campos clave en una herramienta: (material de la herramienta),

geometría y recubrimiento.

3.1. Sustrato

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

Acero rápido: una aleación de metales que contiene alrededor de un 20%

de partículas duras. Apenas se utilizan en el MAV.

Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo

unidas por un aglomerante a través de un proceso de sinterizado. Los

carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total.

Los más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio

(TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo de niobio (NbC). El aglomerante

típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de

aluminio y silicio.

Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es

recubierta con carburo de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN), óxido de

aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y

aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV

(deposición química por vapor), PVD (deposición física por vapor) y

MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen

equilibrio entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.

Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las

herramientas de carburo cementado, en este caso las partículas base son

de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El aglomerante es

níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres,

alta estabilidad química y dureza en caliente. Baja tendencia a la

oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran dureza y

resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se

aplican mejor a aquellos materiales que producen una viruta dúctil,

aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCy MoC

añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico



propio de la operación de fresado.

Cerámicos: Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido

de aluminio (Al2O3) y las de nitruro de silicio (Si3N4). Son duras con alta

dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales de

la pieza. Sin embargo son muy frágiles. - Ideales para el mecanizado de

piezas en duro y como reemplazo de las operaciones de rectificado. ·

Nitruro de Boro Cúbico (CBN): Es uno de los materiales más duros.

Ocupa el segundo lugar después del diamante. Dreza extrema en

caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidad

química durante el mecanizado. Es frágil, pero más tenaz que las

cerámicas.

Diamante policristalino (PCD): Es casi tan duro como el diamante natural.

Este diamante sintético tiene una increíble resistencia al desgaste y una

baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida de la

herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado.

Desventajas: las temperaturas de corte no deben exceder 600 ºC , no

puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad,

y no sirve para cortar para materiales tenaces.

3.2. Geometría

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

Alma de gran diámetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las

vibraciones y el riesgo de mellado de los filos. Menor flexión y una mejor

tolerancia de la pieza mecanizada.

Cuello de la herramienta rebajado: Mayor alcance en cajeras profundas.

Evita el contacto y los roces. Reduce las vibraciones.

Mango cilíndrico largo: Para una mejor sujeción y equilibrio.

Ángulo de desprendimiento negativo (-15º): Mayor estabilidad y

resistencia del filo. Menor tiempo de contacto con la viruta. El calor se

transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado

superficial. Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la

forma definitiva.

3.3. Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a



mecanizar.

Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando

la adherencia de material al filo. Herramientas de pocos labios (2) con

ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuación de

grandes caudales de viruta.

Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez.

Mucha hélice para disminuir la resistencia al corte y mejorar el acabado.

Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta -

menor absorción de calor, viruta corta.

Herramientas enterizas y de insertos:

Enterizas: Mayor precisión, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza.

Disposición de herramientas de cualquier diámetro. Elevado coste.

Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad de

una estrecha relación proveedor-usuario.

De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional.

Diámetros cercanos a los 8mm. Solo metal duro para MAV. Normalmente

para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad de

reposición.

3.4. Recubrimientos

* Las características principales de los recubrimientos se resumen en los

siguientes puntos:

* Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.

* Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte

* Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a

través de la viruta.

* Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad

herramienta-pieza

* El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”.

* Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o

deposición física de vapor

3.5.1. Recubrimientos de TiAlN

Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás



los demás. Los recubrimientos TiAlN multicapa están remplazando los de

TiCN, y los monocapa a los de TiN.

TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD)

basados en nitruro de titanio aluminio que destacan por su dureza,

estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas

de corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.

* Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa,

con su alta dureza 3.000 (Hv 0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y

química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas de corte de acero

rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por

tensiones severas. Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en

mecanizados a altas velocidades e incluso en seco o con mínima cantidad

de lubricante.

* Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro

utilizadas en condiciones de mecanizado severas. Su elevada dureza,

3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºc, y química hacen que

sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales

térmicamente tratados empleados, como por ejemplo en moldes,

punzones, matrices y utillajes de forja.

3.5.2. Recubrimiento de diamante

Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos

como el grafito. Durante el mecanizado de estos materiales las

herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies

mecanizadas y la precisión dimensional son pobres. Con las

herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya dureza es

superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y

poder aumentar las velocidades de corte, disminuyendo así de manera

importante el tiempo de mecanizado, se consigue un buen acabado de la

superficie y una buena precisión dimensional.

3.5.3. Recubrimiento WC/C:

Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los

200 ºC. Al realizarse el proceso de recubrimiento en alto vacío, las



propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las

logradas a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños

(nitruración, galvanizado). Los recubrimientos tienen un espesor de capa

de solo unas micras de espesor y son la ultima operación dentro de los

componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una

combinación única de características: Bajo coeficiente de fricción, alta

resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.

3.5.4. Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C

Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de

desgaste que se dan en la formación y evacuación de viruta. Este

recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del

recubrimiento TiAlN con las buenas propiedades de deslizamiento y

lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en taladrados y

roscados.

Recubrimiento | TiN | TiCN | WC/C | TiAlN (monocapa) +WC/C | TiAlN

(multicapa) | TiAlN (monocapa) |

Microdureza | 2300 | 3000 | 1000 | 2.600-1.000 | 3000 | 3500 |

Coeficiente de rozamiento contra el acero | 0,4 | 0,4 | 0,2 | 0.2 | 0,4 | 0,4

|

Temperatura máxima de trabajo | 600 | 400 | 300 | 1000 | 800 | 800 |

Color | oro-amarillo | azul-gris | | gris oscuro | violeta-gris | púrpura-

gris |

Espesor del recubrimiento | 1-4 | 1-4 | 1-4 | 2-6

(1/3 wc/c; 2/3 TiAlN) | 1-5 | 1-3 |

Herramientas para Mecanizado de Alta Velocidad

Las herramientas han sido un factor determinante en el desarrollo de la

tecnología del Mecanizado de Alta Velocidad. Tienen geometrías cada vez

más específicas y una composición físico- química cada vez más

orientada al material a mecanizar y a la operación a realizar. De las

herramientas de acero rápido utilizadas hasta los años setenta se pasó a

carburo de tungsteno. A éste se le han ido aplicando diferentes



composiciones de recubrimientos, hasta llegar a los nitratos actuales. Y

se han introducido también materiales nuevos, tales como el nitrato de

boro cúbico, seguramente el más novedoso en estos momentos.


Almoril

1. CONSIDERACIONES GEOMÉTRICAS

Forma de la herramienta

Se puede establecer la siguiente clasificación:

* Herramientas integrales o macizas

* Herramientas esféricas

* Herramientas planas

* Herramientas toroidales

* Brocas

* Herramientas de mandrinado

* Herramientas de plaquitas

* Herramientas esféricas

* Herramientas planas

* Herramientas toroidales

* Brocas

Las herramientas integrales presentan generalmente una mejor

tolerancia dimensional que lasherramientas de plaquitas. Aparte del

error inherente a la plaquita, hay que añadir en la mayoría de los casos

un error asociado al ensamblaje de la plaquita en su adaptador. Por lo

general, las herramientas integrales son preferibles para las operaciones

de acabado, si bien se están comercializando plaquitas que tienen mucho

mejor resuelto este problema que las generaciones anteriores.

La gran ventaja de la plaquita es indudablemente su rendimiento

económico. Cuando se considera que la herramienta integral ha dejado

de ser funcional, hay que sustituir toda la herramienta mientras que, en

el caso de la plaquita, basta con cambiarla o, en muchos casos, con

aplicarle una rotación en el caso de que tenga diferentes zonas de corte

disponibles. Esta ventaja la convierte en la herramienta más adecuada en



el mecanizado de piezas de mediano o gran tamaño, e incluso en

operaciones de tamaño mediano para operaciones tales como el

desbaste. De todas maneras, esta elección depende del usuario y de la

estrategia de corte elegida.

En el caso del mecanizado de materiales templados con un elevado

grado de dureza es muy usual, cuando el volumen de la pieza no es muy

grande, realizar los desbastes con herramientas integrales, pues

presentan una mayor duración de vida y un mejor comportamiento. En

cualquier caso, es importante destacar que las herramientas para este

tipo de mecanizado son considerablemente más caras que las

herramientas tradicionales.

Las herramientas esféricas (figuras 1 y 5) son especialmente necesarias

en el mecanizado de piezas con superficies en 3 dimensiones, aunque

también pueden ser utilizadas en 2 dimensiones. Las herramientas

esféricas integrales son herramientas muy estables que pueden ser

utilizadas tanto en operaciones de desbaste como en semiacabado o

acabado, mientras que las esféricas de plaquitas no son tan utilizadas en

operaciones de desbaste en materiales de gran dureza (si lo son para el

resto de materiales) como lo son en operaciones de desbaste y acabado.

| | |

Fig.1.- Herramienta integral esférica de 2 labios | Fig. 2.- Herramienta

integral plana de 4 labios. Observar los ángulos vivos, característica

definitoria de las herramientas planas contra las toroidales | Fig. 3.-

Herramienta toroidal de 6 labios. Observar que la herramienta no tiene

ángulos vivos, sino que los tiene suavizados por radios |

Las herramientas planas (figura 2) no son muy aconsejables para este

tipo de mecanizado, ya sean integrales o de plaquitas, especialmente si el

material a mecanizar es de mala maquinabilidad o muy duro. Se

entiende como una herramienta plana una herramienta con radio 0, o

sea con arista totalmente viva. Esta arista padece mucho y acostumbra a

romperse enseguida, aunque el resto de corte de la herramienta se

conserve casi perfectamente. Es preferible entonces la utilización de



herramientas toroidales con cierto radio inferior. Pero en muchas

aplicaciones esta sustitución no es posible, ya que interesa conseguir

precisamente eso: una arista viva en una cavidad.

Pero se comprende que una arista completamente viva en el interior de

una cavidad sea imposible de conseguir por mecanizado por arranque de

viruta, pues siempre se producirá una ruptura de la herramienta por

pequeña que ésta sea. Las herramientas planas permitirán conseguir

una arista de radio más pequeño que una herramienta toroidal, pero hay

que tener cuidado con las condiciones de corte seleccionadas para esta

herramienta, con el fin de minimizar las roturas.

| | |

Fig.4.- Herramienta integral de geometría y corte especiales para el

mecanizado de ranuras profundas | Fig. 5.- Herramientas esféricas de

una sola plaquita |

Las herramientas toroidales (figuras 3 y 6) son más adecuadas que las

herramientas planas, como ya se ha comentado. Las herramientas

toroidales de plaquitas son los tan profusamente llamados platos de

plaquitas (ver figuras 7, 8, 9). Efectivamente, estas herramientas son las

más empleadas para la realización de grandes desbastes siempre que el

diámetro de la herramienta sea adecuado para el tamaño de la pieza a

mecanizar. Para operaciones de planeado son casi indispensables.

Hay que destacar que, aunque se puedan utilizar platos de plaquitas de

diámetro bastante grande, éste no suele serlo tanto como el de grandes

platos de plaquitas (diámetros > 150mm) que se utilizan en el

mecanizado tradicional. Recordar que la propia concepción de estos

tipos de mecanizado no lo contempla. Así pues, es habitual trabajar con

platos de diámetros 30 hasta 80, pero con menos carga de herramienta

que en el mecanizado tradicional y con más velocidad.

| |

Fig 6.- Herramienta toroidal de una sola plaquita | Fig. 7.- Plato de

plaquitas de gran longitud para el mecanizado de zonas profundas en

piezas de gran tamaño |



| |

Fig. 8.- Plato de plaquitas esféricas para desbaste | Fig. 9.- La misma idea

que el anterior pero diferente fabricante y composición de las plaquitas |

Las herramientas toroidales integrales son también muy empleadas,

pero se prefieren las de diámetro bastante menor, principalmente por

razones económicas. Se utilizan más en operaciones finales, como en el

caso de las integrales de bola, cada vez son más usuales en operaciones

de desbaste en aceros endurecidos donde es difícil utilizar una

herramienta de plaquitas debido a las dimensiones de la pieza.

Huelga decir que hay que hacer las mismas consideraciones para las

plaquitas que las que ya se han hecho para las herramientas planas. La

forma de las plaquitas puede ser circular, hexagonal, romboidal o

rectangular. Las más adecuadas acostumbran a ser las circulares, pues

no tienen ángulos vivos que padezcan más que otras partes del perfil las

fuerzas de corte y, por tanto, sean más propensas a la ruptura. En caso

de utilizar los demás tipos es preferible hacerlo con plaquitas que tengan

cierto radio en estos ángulos, con vistas a suavizar el corte. De todas

maneras, como también ya se ha comentado , esta exigencia depende

del material a mecanizar y es usual trabajar con plaquitas de formas no

circulares en materiales como el aluminio, el cobre o el grafito.

Las brocas siguen la misma tónica de las herramientas anteriormente

descritas respecto a la división entre integrales y plaquitas. Se están

fabricando brocas de última generación, especialmente de constitución

integral, que soportan avances de taladrado y velocidades de corte

especialmente elevadas en todo tipo de materiales. De esta forma se

consigue un ahorro de tiempo muy considerable en actividades de

producción de piezas de aluminio y hasta en taladrado de aceros de alta

dureza. También se están diseñando geometrías autocentrantes que no

requieren de un punteado previo ni siquiera cuando la superficie a

taladrar no es perpendicular a la broca.

Las herramientas de mandrinado no aportan soluciones especialmente

novedosas. La novedad la aportan los nuevos materiales de que están



hechos los perfiles de corte, pero en la forma no hay variaciones

importantes respecto a las herramientas tradicionales.

Ángulo de ataque o perfil de corte

El ángulo de ataque es el ángulo que forma el perfil de corte con la línea

que une el punto de contacto herramienta-pieza con su centro. Las

consideraciones serán las mismas tanto para las herramientas integrales

como para las herramientas de plaquitas.

Este ángulo juega un papel muy importante en el comportamiento del

corte, dependiendo del tipo de material a mecanizar. Así, este ángulo no

puede ser el mismo en materiales que precisen ser arrancados que en

materiales que precisen ser rotos.

Se ha dicho que los materiales blandos como el aluminio, el cobre y

algunos aceros pretratados son de buena maquinabilidad, pero tienen el

problema de su pastosidad: es difícil arrancar y separar la viruta de la

pieza. Para estos materiales son necesarios ángulos de corte positivos

que penetren realmente en el material y lo seccionen.

Para materiales duros, tipo aceros tratados, un ángulo de corte positivo

provoca casi inmediatamente la ruptura del perfil de corte dada su

fragilidad y poca robustez. Si el material es duro pero frágil,

emplearemos ángulos de corte negativos, ya que el material no necesita

ser arrancado sino simplemente roto.

| | |

| | |

Como se verá en el apartado siguiente, el perfil de corte positivo va

generalmente asociado a un canal de evacuación de virutas grandes y el

perfil de corte negativo a un canal de evacuación más pequeño. Estos

dos factores determinaran el espacio físico disponible para la ubicación

del ánima de la herramienta. Así pues, las herramientas o plaquitas que

tienen ángulos de ataque positivos acostumbran a tener ánimas de

herramienta más pequeñas y, por lo tanto, menos robustez que las

herramientas de perfil de corte más negativo.

El problema aparece en determinados aceros inoxidables que sean duros



pero a la vez resistentes y pastosos debido a su composición. Para este

tipo de materiales se emplean geometrías no tan negativas, pero con

unas condiciones de corte notablemente inferiores a las elegidas para

aceros más frágiles o para materiales como el aluminio, con el fin de

conservar el mayor tiempo posible este perfil de corte.

Canal de evacuación de la viruta y número de dientes

El canal de la evacuación de la viruta y su ángulo son también factores

determinantes en el comportamiento de la herramienta. En materiales

que permiten un gran desalojo de viruta por unidad de tiempo, como el

aluminio, este canal ha de ser lo más grande posible con el fin de facilitar

su evacuación. En estas condiciones, el ángulo del canal también ha de

ser grande

El problema que presenta esta configuración es que resta robustez a la

herramienta, ya que limita el espacio para el ánima, a la vez que limita el

número de dientes o labios que es posible ubicar.

En materiales que no permiten tanto arranque de viruta este canal podrá

ser más pequeño, posibilitando así un mayor número de dientes en la

herramienta y unos ángulos más pequeños. Esto conferirá mucha más

robustez que la configuración anterior.

Así pues, para materiales como el aluminio se suelen utilizar

herramientas con pocos labios (2 labios por lo general) con ángulos de

evacuación superiores a los 60 grados, mientras que para herramientas

destinadas al trabajo de materiales duros se prefiere un mayor número

de labios (4,6,8... dependiendo del diámetro de la herramienta) con

ángulos de evacuación de hasta 45 grados.

Es necesario considerar que, en el caso de materiales duros en

operaciones de acabado, es más conveniente utilizar herramientas con

un número de labios no muy elevado y hasta con un ángulo de ataque no

tan negativo como el elegido en las operaciones de desbaste o

semiacabado.

En las operaciones de acabado el sobrante de material que ha de cortar

la herramienta en estos tipos de materiales no es muy grande (ya se vera



que esto también depende del tamaño de la pieza en si y de la

herramienta en juego) por lo tanto las fuerzas de corte no serán muy

elevadas. No es tan prioritario en este caso la robusteza de la

herramienta como lo es el echo de conseguir un corte limpio y de

disponer de una buena tolerancia dimensional de la herramienta.

Las herramientas de muchos labios presentan más problemas de

rectificado en su manufactura y la diferencia de diámetros entre los

labios es más grande. Se pueden cifrar estas diferencias en el orden de

0.02 mm o más ( las herramientas esféricas integrales de dos labios

soportan tolerancias inferiores a 0.01 mm). Si el número de dientes se

multiplica el número de diferencias en una misma fresa, y se esta

trabajando con sobrantes de material del orden de media décima, se

puede comprobar muy bien que, proporcionalmente, el grado de no

repetibilidad en las condiciones de corte de los diferentes dientes es muy

malo, lo cual comportara inestabilidad en el corte de la herramienta y

vibraciones que se reflejarán en la calidad de la superficie final.

| |

Fig.11.- Ángulo de evacuación grande y dos labios para una gran

evacuación de viruta |

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Fig.12.- Ángulo de evacuación de 45 grados aproximadamente y cuatro

labios |

| |

Fig.13.- Ángulo de evacuación pequeño y seis labios. Herramienta

empleada para trabajo en aceros duros |

La longitud de la herramienta

Un hecho determinante que provoca inestabilidad y problemas de

vibraciones durante el mecanizado es la longitud de la herramienta

empleada. Es lógico pensar que no se comportará de igual manera una

herramienta de diámetro D y en longitud L que otra de un mismo

diámetro pero con una longitud LL mucho más grande.

Esta claro que la herramienta más larga tiene más posibilidades de sufrir



flexiones en las mismas condiciones de corte que la corta, flexiones que

son orígenes de vibraciones que a su vez son causa de desgastes

prematuros, roturas progresivas y mala calidad en la superficie

mecanizada.

Se calcula que las herramientas con relaciones longitud-diámetro L/D > 5

se empiezan a encontrar problemas especialmente si el material a cortar

es exigente. A partir de estos valores se ha de empezar a tener más

cuidado con la herramienta y es preciso suavizar las condiciones de corte

si se desea una respuesta correcta.

| Fig.14.- Gráfico orientativo que informa sobre la condición de corte de

una herramienta empleada en el mecanizado de aceros durosColor

verde : zona segura de trabajoColor amarillo : zona peligrosa, hay que

reducir las condiciones de corte de la herramienta si se desea su vida

provechosaColor rojo : zona de trabajo no recomendable aunque se

reducen mucho las condiciones de corte |

|

Fig. 15.- Ejemplo de una herramienta sobrealargada para el mecanizado

de zonas con cierta profundidad |

2. CONSIDERACIONES FÍSICO-QUÍMICAS

Hay un hecho significativo que determina el diseño y el comportamiento

de las herramientas en este tipo de mecanizado: en la zona de corte se

alcanzan a temperaturas muy elevadas, y la herramienta ha de estar

preparada para cortar en estas condiciones.

Este incremento de la temperatura en la zona de trabajo es precisamente

una consecuencia originada por la utilización de estas nuevas

generaciones de herramientas, que han sido ya diseñadas para soportar

mayores velocidades de corte, parámetro directamente relacionado con

la temperatura en la zona de trabajo.

Pero hay que hacer todo lo posible para tener esta temperatura

controlada y estable. Mediante unas buenas y adecuadas condiciones de

corte de la herramienta: velocidad de corte, avance por diente, pasada



axial y radial y trayectorias de corte, es preciso conseguir condiciones

estables y el control de la temperatura deseada.

Se pretende además que estas condiciones de corte permitan la

evacuación de la gran cantidad de calor generada a través de la viruta,

dando el menor tiempo posible a que este calor se transmita de la pieza

a la herramienta. Si las condiciones de corte son adecuadas, el mayor

porcentaje de calor se almacena en la viruta y, si la expulsión de esta

zona de corte es correcta, se pueden alcanzar regímenes estables de

trabajo sin incrementos progresivos o súbitos de la temperatura, que es

lo que garantiza la mayor vida de la herramienta.

Estas elevadas temperaturas en la zona de corte son las que provocan

que, mientras en el mecanizado convencional predomina el mecanismo

de desgaste por abrasión, en el mecanizado de alta velocidad el factor

limitador de la vida de la herramienta es el desgaste por difusión: la

mayor temperatura de la zona de trabajo aumenta la reactividad química

de los materiales en contacto (pieza y herramienta).

El ánima de la herramienta

Hasta la aparición y desarrollo de esta nueva tecnología los materiales de

que estaban hechas las herramientas era mayoritariamente aceros

rápidos (HSS) para el mecanizado de materiales férricos y no férricos

blandos, y de carburo de tungsteno para el mecanizado de materiales

más exigentes. Pero estos tipos de herramientas se mostraron

totalmente insuficientes para conseguir altas velocidades de corte,

especialmente en materiales de muy difícil maquinabilidad ya que

estaban expuestos a grandes esfuerzos térmicos y mecánicos. Fallaban

prematuramente por abrasión, craterización, por roturas de corte y por

soldaduras en frío.

Anteriormente también había que aplicar a estos materiales ciertos

recubrimientos, como el nitrato de titanio, para intentar mejorar estas

prestaciones. Pero los resultados distaban mucho de los que se pueden

obtener actualmente.

Las nuevas generaciones de herramientas utilizan estos materiales



duros, pero optimizados en calidad. Se les han aplicado nuevas

generaciones de recubrimientos. También se pueden utilizar fresas

macizas como los Cermets (carburo de titanio TiC y nitrato de titanio TiN

que normalmente utilizan un enlace níquel-cobre) , fresas cerámicas y

herramientas con ánima también de metal duro pero con inserciones

denitruro de boro policristalino (PCBN).

Los Cermets tienen vidas útiles mayores que los metales duros sin

recubrimiento debido a su mayor resistencia en la arista, menor

tendencia a la adherencia y mayor estabilidad química.

Las cerámicas tienen una elevada resistencia al desgaste a altas

temperaturas, pero una baja tenacidad, que da lugar a roturas de la

arista de corte.

Las herramientas de metal duro recubiertas permiten trabajar a mayores

velocidades que con los Cermets y, además, tienen un mejor

comportamiento respecto al desgaste y por lo tanto respecto a la vida de

la herramienta (aproximadamente el doble, aunque esto depende del

material y de las condiciones de corte).

En el caso de las herramientas recubiertas es esencial la correcta elección

del sustrato base, ya que solo los carburos con un gran revestimiento, y

muy fino, pueden permitir la obtención de herramientas con unas

propiedades mecánicas que satisfagan las exigencias. Así se utiliza

preferentemente carburo de tungsteno micrograno con tamaños de

grano del orden de 0.8 0.3 m.

Del nitrato de boro policristalino se hablara con mayor detalle más

adelante.

| | |

Fig. 16.- Tres ejemplos de herramientas integrales de carburo de

tungsteno sin recubrimiento |

El recubrimiento

Las nuevas generaciones de recubrimientos se distinguen por un

número de cualidades esenciales: su dureza les protege contra el

desgaste abrasivo, su naturaleza cerámica les protege contra la



soldadura en frío, su bajo coeficiente de fricción permite mejorar el flujo

de la viruta y por lo tanto la eliminación del calor, y su gran estabilidad

química les protege del desgaste por difusión.

Estos recubrimientos acostumbran a tener un grano fino de menos de

una micra de diámetro. Los más utilizados son: el nitrato de titanio (TiN),

nitrato de carbono-titanio (TiCN) y el nitrato de aluminio-titanio (TiAIN). El

espesor típico suele ser de 2 a 12 µm, y a menudo se utilizan

recubrimientos del tipo multicapa.

El recubrimiento se aplica por deposición física gaseosa PVD o

por deposición química CVD . La ventaja del PVD radica en la baja

temperatura del proceso: 500 ° C como máximo. El CVD exige

temperaturas mayores de 800 ° C, y el metal duro de la zona de corte se

vuelve frágil. El método PVD es él más adecuado para mantener las

aristas de corte en condiciones de agudez y estabilidad de los cortes.

De entre todos los recubrimientos disponibles, sin ninguna duda, el que

ofrece más posibilidades en su utilización es el TiAIN. Es capaz de

soportar temperaturas de trabajo mayores sin perder sus propiedades ni

sufrir un desgaste prematuro en comparación con los demás

recubrimientos. El inconveniente es que es más caro, aunque en ciertas

aplicaciones es el más rentable.

Las propiedades del TiAIN son las siguientes:

* Su alta resistencia a la oxidación permite trabajar a mayores

temperaturas.

* Su menor conductividad térmica protege los cortes y aumenta la

eliminación del calor vía viruta.

* Su mayor dureza en caliente ofrece mejor protección contra el

desgaste.

* Su mejorada resistencia química reduce el desgaste por cráter.

Las temperaturas que puede alcanzar la herramienta son del orden de

600-800° C. El patrón de oxidación de este recubrimiento asegura una

protección del sustrato más allá de la temperatura de oxidación. Aunque

este punto de oxidación sea elevado, es siempre superado por la



temperatura de trabajo. Así pues, es importante disponer de una

temperatura de oxidación elevada, pero también lo es disponer de un

buen patrón de oxidación. Algunos recubrimientos de TiAIN tienen

patrones de oxidación capaces de proteger el sustrato.

La mayor proporción de AI que de Ti en el recubrimiento provoca que,

durante la oxidación, se creen óxidos de aluminio que se adhieren a la

capa exterior del recubrimiento protegiéndolo durante más tiempo. Si la

concentración dominante es la de Ti, los óxidos de titanio no se adhieren

al recubrimiento sino que se disipan, provocando una continua pérdida

de Ti que conduce a un desgaste prematuro de la herramienta.

| |

Fig. 17.- Dos ejemplos de fresa con ánima de carburo de tungsteno y

recubrimiento de TiAIN |

El patrón de desgaste en las herramientas de metal duro recubiertas de

TiAIN revela 4 zonas bien diferenciadas (ver figura18). En la zona 1, el

sustrato ha quedado al descubierto. En la zona 2 todavía se puede

encontrar recubrimiento, pero ha sufrido un pequeño desgaste. En la

zona 3 se observan incrustaciones soldadas del material mecanizado. En

la zona 4 se puede encontrar el recubrimiento intacto.

| |

Fig.18.- Patrón de desgaste del recubrimiento TiAlN | Fig. 19.- Plaquitas

rotas por una mala selección de los parámetros de corte |

Se puede advertir cómo la concentración de AI en la zona desgastada

tiene tendencia a aumentar a medida que nos desplazamos hacia la zona

donde el sustrato queda al descubierto, mientras que la de Ti se

mantiene constante. Esto se debe a la formación de los óxidos de

aluminio anteriormente descritos, que no se disipan con el aire sino que

se fijan en la superficie del recubrimiento protegiéndolo así contra el

desgaste.

3. El PCBN

El nitrato de boro policristalino (PCBN) es posiblemente el material más

novedoso en el campo de la fabricación de las herramientas de corte. Las



fresas de espiga con cabezales PCBN soldados a ejes HSS o de carburo

de tungsteno están cada vez más disponibles en el mercado.

Se trata de un material extremadamente duro capaz de mantener sus

propiedades físico-químicas a muy elevadas temperaturas, hasta más de

1000° C.

El éxito de trabajar con CBN está en el mecanismo de mecanizado en

caliente, por medio del cual el pegado de la pieza en la zona de corte es

el resultado de la temperatura generada por las altas velocidades de

corte. A velocidades lentas el PCBN no es efectivo, ya que el material de

la pieza continua estando duro y hay problemas de desgaste o roturas de

los cortes.

Las herramientas de CBN no son realmente aconsejables debido a su

fragilidad, y sólo es conveniente su utilización cuando se trabajan aceros

extra-duros imposibles de ser trabajados con otros tipos de

herramientas, incluyendo el recubrimiento TiAIN.

Su uso requiere mucha rigidez en la máquina para evitar la rotura de la

herramienta debido a la fragilidad del material. Además, con

herramientas de diámetro muy pequeño obliga a trabajar a muy altas

revoluciones si se desea mantener una velocidad de corte elevada y

adecuada (800-1200 m/m). Estas altísimas revoluciones exigen altísimos

avances de trabajo difícilmente alcanzables por las máquinas actuales.

Existen distintos tipos de microestructuras policristalinas que determinan

diferentes comportamientos. De entre todas ellas hay que seleccionar la

que ofrezca el comportamiento más adecuado para la aplicación a

realizar.

El diamante

Las herramientas del diamante policristalino PCD se utilizan a menudo

en el mecanizado de alta velocidad en materiales no metálicos, sobre

todo para grafito, pero no sirven para el mecanizado de acero, no sólo

porque el diamante reacciona con el hierro, sino también porque se

convierte en grafito a más de 750°C.



Parámetros y condiciones de corte en MAV

Juan Martín

Técnico Comercial Juan Martín, S.L.

1. PARÁMETROS DE CORTE

En este artículo se definen los siguientes parámetros:

Vc

Velocidad de corte. Es la velocidad tangencial de un punto situado en el

perímetro circular de la herramienta. Sus unidades son de velocidad

lineal y generalmente se utiliza el m/min.

S

Velocidad de giro de la herramienta expresada en unidades de velocidad

angular. Generalmente las unidades son rev/min (rpm) o (min-1).

F

Avance de mecanización: Velocidad lineal del centro de la herramienta.

Se expresa en unidades de velocidad lineal y generalmente en mm/min.

fz

Avance por diente: Distancia recorrida en el sentido y la dirección del

Avance por la fresa en el espacio de tiempo en el que un diente o labio

de herramienta ha tardado en girar una vuelta completa. Generalmente

este concepto se define como la cantidad de material (en unidades de

distancia lineal) que arranca cada diente por vuelta. Tiene unidades de

medida lineal dividido por revoluciones y generalmente se expresa en

mm/rev.

Las ecuaciones que relacionan éstos parámetros son las siguientes:

| [Ecuación 1] |

Donde

Vc

velocidad de corte (m/min)

S

velocidad de giro (rpm) o (min-1)

D

diámetro de la herramienta (mm)



| [Ecuación 2] |

Donde:

F

Avance (mm/min)

fz

Avance por diente (mm/rev)

z

Número de dientes

Es importante destacar que la velocidad de corte es un valor relacionado

con el material que se quiere mecanizar, con la composición físico-

química de la herramienta y la esbeltez de esta. El avance por diente

depende más de factores como la geometría de la herramienta y su

diámetro y no de los que se han relacionado con la velocidad de corte.

Continuamos con la definición de parámetros:

Ap

Incremento de pasada en Z que corta una herramienta en profundidad

de corte y la siguiente. Es una distancia y por tanto tiene unidades

lineales. Generalmente en mm.

Ae o P

Incremento de pasada lateral o radial (en el plano XY) que realiza una

herramienta en una trayectoria de corte y la contigua . Es una distancia y

por tanto tiene unidades lineales . Generalmente en mm.

De o Dt

Diámetro efectivo de corte. Es el diámetro mayor de la herramienta que

está en contacto con la herramienta en el momento del corte. Es un

diámetro y por lo tanto tiene unidades lineales, generalmente mm.

Estos parámetros determinan las condiciones de corte de las

herramientas y cuáles son las rugosidades previstas después de cada

operación.

Se presentan a continuación definiciones de diferentes tipos de

rugosidad. Para su definición se ha empleado el estándar que utiliza la



herramienta esférica como herramienta de partida.

Rmax o Ad

Rugosidad máxima. Es la altura máxima de la cresta resultante de haber

trabajado con una herramienta de cierto diámetro con un cierto valor de

incremento lateral P. Tiene unidades lineales y normalmente se utilizan

um (micrómetros).

La relación entre Rmax y D, P es la siguiente:

Por Pitágoras se puede decir que:

| [Ecuación 3] |

| [Ecuación 4] |

Si se desprecia el valor Rmax² (normalmente se trabaja con valores del

orden de 0,01 a 0,0005 mm, y por lo tanto su cuadrado no es muy

significativo) se tiene que:

| [Ecuación 5] |

Y por lo tanto:

| [Ecuación 6] |

O lo que es lo mismo:

| [Ecuación 7] |

Donde:

R

Radio de la herramienta (mm)

P

Incremento de pasada lateral o radial (mm)

Rmax

Rugosidad máxima (mm)

Ra

Desviación aritmética media. Es la media aritmética de los valores

absolutos de las desviaciones del perfil. Normalmente este es el

parámetro escogido cuando se habla de calidad superficial. Su expresión

es la siguiente:

| [Ecuación 8] |



2. CONDICIONES DE CORTE

3.1. Corte a favor o en oposición

En la mecanización tradicional la elección del tipo de corte era muy

variable y dependía mucho del operario de la máquina. Se tenían que

tener en cuenta criterios como las vibraciones y las holguras de los

tornillos de bolas.

Pero en la alta velocidad hay coincidencia en la preferencia de corte en

oposición, especialmente en la mecanización de materiales duros. Está

comprobado experimentalmente que la vida de la herramienta es mucho

mas larga si se trabaja en oposición en estos tipos de materiales.

Para materiales blandos como el grafito e incluso el aluminio y el cobre

este echo no es tan determinante y la elección dependerá mas de otros

factores como la rigidez de la máquina (en el corte a favor la herramienta

tiene tendencia a clavarse más en el material, mientras que en el corte en

oposición la herramienta es escupida hacia fuera si el sistema

herramienta-portaherramienta-cabezal no es suficientemente rígido.

Gráfico ilustrativo del corte en oposición y a favor. Observar que en el

corte a favor se produce un recorte en la viruta ya que la herramienta se

mueve en el sentido hacia donde esta es expulsada. En el corte en

oposición esto no ocurre, ya que la viruta es expulsada hacia el sentido

contrario al movimiento: hacia atrás. Color verde: dirección y sentido de

avance; Color rojo: sentido de giro de la herramienta; Flechas negras:

dirección y sentido de salida de la viruta.

3.2. Estabilidad en el corte

Como norma general se puede decir que las herramientas esféricas

integrales o de plaqueta son más estables si trabajan con una pasada

radial considerablemente mas grande que la pasada axial.

Exactamente al contrario se puede afirmar de las herramientas

integrales, planas o toroidales, estas trabajan mucho mejor

completamente de costado y su corte no es tan estable cuando se les

somete a procesos de ranurado, Esta consideración no se puede hacer



extensible a las herramientas planas o toroidales de plaquetas o a los

platos de plaquetas. La estabilidad en estas últimas vendrá dada por la

geometría de la plaqueta.

Sí por ejemplo para herramientas esféricas es usual trabajar con pasadas

radiales del 20 al 60% del diámetro de la herramienta mientras que las

axiales irán del 2 al 7-8%. No hace falta decir que estos parámetros

dependen de condiciones como el material a mecanizar, la calidad de la

herramienta, su longitud y la calidad del programa.

Para herramientas integrales planas se pueden usar desde un 50% a un

150% en pasada axial y hasta un 7-8% en pasada radial. Estos

parámetros también dependen de las condiciones descritas en el párrafo

anterior.

Se presenta una pequeña tabla como ejemplo de lo que podrían ser

parámetros de partida en la utilización de herramientas integrales

recubiertas de TiAIN para la mecanización de aceros.

Portaherramientas para máquinas de alta velocidad



El objetivo de este capítulo es presentar los distintos tipos de

portaherramientas que existen actualmente en el mercado para el

mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones

existentes entre el desequilibrio y los diferentes tipos de

portaherramientas.

1. INTRODUCCIÓN

El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de

concentricidad de la herramienta de corte con el fin de evitar errores y

aumentar la seguridad del proceso en el mecanizado a altas revoluciones

de corte. Actualmente los conos portaherramientas más utilizados son

los especiales tipo HSK. También se utilizan los conos SK 40 & 50 (DIN

69871) y BT 40 & 50.

Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los



portaherramientas más convencionales, se resumen en los siguientes

puntos:

* Proporcionan mayores exactitudes de cambio y repetitividad.

* Transmisión segura de un elevado par con un posicionamiento radial

definido (ausencia de run-out).

* Gran rigidez a la flexión estática y dinámica.

* Disminución del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen

los problemas de tipo inercial.

2. AJUSTES

El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser

extremadamente preciso. Los diferentes sistemas empleados para el

ajuste de herramientas en en los portas de alta velocidad son:

Mecánico: Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste

de tuerca y pinza (porta-pinzas). En el caso de tuerca de gran apriete, la

pinza es cilíndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuerca

normal, la pinza es cónica.

Hidráulico: No es una opción muy recomendable, ya que al girar a altas

revoluciones (a partir de 20000 rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar

el salto radial de la hta. Las ventajas que presenta este

portaherramientas es que no necesita ningún mecanismo secundario, sin

embargo el coste individual del portaherramientas (sin contar el

mecanismo de calentamiento de los térmicos) es más elevado que los

térmicos.

Térmico El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento,

con lo que aumenta el diámetro interior por dilatación. Una vez dilatado

se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso de

contracción queda sujeta la herramienta. Esta opción es la mas

recomendada, pero actualmente también es la mas compleja y cara, ya

que obliga a disponer de un porta por diámetro de herramienta, y un

dispositivo térmico auxiliar para la sujeción.

La elección del tipo de portaherramientas dependerá del centro de

mecanizado y la precisión con la que se piense trabajar.



En la tabla adjunta se muestra la precisión proporcionada por cada uno

de los sistemas de amarre comentados en párrafos anteriores:

Útil | Precisión (m/m) |

Portapinzas convencional | 0.015 |

Portapinzas tipo Weldon | 0.020 |

Portapinzas hidráulico | 0.003 |

Porta de deformación mecánica | 0.003 |

Porta de dilatación térmica | 0.003 |

A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente

pequeños pueden producir fuerzas peligrosamente altas en los

rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminución de la vida

útil del mismo.

3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO

Los efectos negativos del desequilibrio de la

herramienta/portaherramientas pueden ser divididos en dos categorías:

Efectos sobre la pieza mecanizada: rechinar de la superficie metálica

causadas por el movimiento de la herramienta de corte. Otro efecto es la

imposibilidad de conseguir tolerancias muy precisas.

Efectos sobre la máquina: Son más destructivos que los efectos sobre la

pieza mecanizada. Las fuerzas centrífugas causan grandes tensiones

internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un fallo

prematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de

producción de una máquina de alta velocidad durante semanas con el fin

de sustituir el husillo de precisión, operación que no está exenta además

de un alto coste económico. Otro efecto del desequilibrio está

relacionado con la reducción de la vida de la herramienta de corte (50%

menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).

| |

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

En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su



fabricación a las revoluciones que exige el cliente (G6.3, G2.5…). El

portaherramientas que ofrece un mayor grado de equilibrado es el

térmico; sin embargo existen equipamientos externos que nos

permitirán un equilibrado más preciso. Para el mecanizado a alta

velocidad, lo ideal sería reequilibrar el conjunto herramienta /

portaherramientas / husillo en la propia máquina herramienta. No

obstante, hoy en día, existen muy pocos sistemas para un equilibrado

completo, por lo que hay que hacerlo en una máquina de equilibrado

externa.

Portaherramientas para Mecanizado de Alta Velocidad


Almoril

1. Los portaherramientas

Los portaherramientas juegan un papel fundamental porque han de

garantizar unas condiciones de no excentricidad y rigidez en la sujeción

más exigentes que en la mecanizado tradicional.

De nada sirve tener mucho cuidado en la selección y en la determinación

de las condiciones de corte de la herramienta, emplear mucho tiempo en

la elaboración de programas y tener una máquina de calidad si no se

puede garantizar que la herramienta esté suficientemente sujeta, que no

gira excesivamente excéntrica y no padece vibraciones producidas por el

elemento que la soporta.

2. Equilibrado

Las revoluciones a las que se ha de hacer girar este tipo de herramientas

pueden ser elevadas .Esto provoca la magnificación de cualquier

desequilibrio que exista en los elementos que giran a estas velocidades y,

entre ellos, el portaherramientas.

El equilibrado del portaherramientas para la mecanizado de alta

velocidad ha de ser más exigente que el de un portaherramientas

destinado a la mecanizado tradicional. No sólo porque ha de soportar

regímenes de giro más elevados sino también porque es normalmente



en estos regímenes donde se realizan las operaciones de acabado, y

cualquier vibración se refleja en el resultado final de la pieza.

Se define el desequilibrio U como:

o bien

donde:

M: masa del rotor

S: centro de masas (M + m)

e: desplazamiento del centro de masas (mm)

r: distancia desde el eje de giro a la masa m (mm)

m: masa de desequilibrio (g)

U: desequilibrio del rotor (gmm)

Así pues, el desequilibrio es un producto de una masa por una distancia,

y se suele expresar en gramos x mm

Se define grado de calidad G como el producto del desequilibrio

específico e para la velocidad de rotación w

Si se desprecia la masa m frente a la masa M se puede obtener de la

ecuación 5.1:

Por sustitución se puede decir entonces que:

o lo que es lo mismo:

donde:

n: revoluciones del cabezal en rpm (min-1)

Despejando U se puede concluir que:

Para los portaherramientas destinados a mecanizado tradicional

acostumbra a ser suficiente un grado de calidad de G 6.3, mientras que

para los portaherramientas destinados a trabajar por encima de las



8.000 rpm es necesario el grado de calidad G 2.5

El procedimiento óptimo de trabajo en cada caso seria un completo

equilibrio del conjunto cabezal de la máquina – portaherramientas –

herramienta en cada herramienta que se quiera emplear, pero esta

operativa es totalmente inabordable debido a la dificultad de efectuar

este equilibrado por parte del usuario de la máquina. El tiempo de

preparación de les herramientas sería excesivamente largo y costoso, y

en este caso imposibilitaría totalmente la adopción de esta tecnología

por parte del mecanizador. Por este motivo hay que exigir por lo menos

la calidad de las piezas que forman el conjunto por separado.

3. Salto

Se denomina salto de la herramienta (run out en inglés) al doble de la

distancia que hay entre el eje de giro teórico que define la geometría de

la herramienta el eje de giro real de ésta una vez montado el conjunto

herramienta-portaherramienta-cabezal.

Si al salto se le añade un problema de no paralelismo entre estos dos

ejes de giro se está provocando que los labios de la herramienta no

corten por igual, con lo cual se generan vibraciones que limitan la vida de

la herramienta a la vez que provocan una mala calidad en la superficie

mecanizada.

El salto tiene diferentes orígenes, pero en la mayoría de los casos el

mayor responsable es el portaherramientas. Los portaherramientas que

se utilizan en estos tipos de mecanizado tienen que estar equilibrados y

garantizar un salto mínimo. Por ejemplo un salto de 0.02 mm es

excesivo, especialmente para la calidad superficial obtenida con una

herramienta de acabado trabajando en este estado.

|

Fig. 21.- Descripción gráfica del salto |

4. Tipos de portaherramientas

Actualmente hay tres tipos principales de portaherramientas en el

mercado: los portaherramientas de pinzas, los de enclavamiento

hidráulico y los de enclavamiento térmico. Se hará una descripción a



continuación de estos tipos pero nada más se hará referencia a

interfaces y tamaños estándares , por ejemplo: HSK 63-100 o BT 40-100.

La gran variedad de tamaños hace muy extensa la variedad de tipos y

novedades en el mercado.

Portaherramientas de pinzas

Son los más empleados principalmente por que no son nada más que

una mejora de los portapinzas que se han utilizado durante mucho

tiempo en los talleres de mecanizado, y los profesionales están

acostumbrados.

Tienen además la gran ventaja de que son el sistema más flexible ya que

el mismo portaherramientas puede montar herramientas de diferente

diámetro si se cambia la pinza de enclavamiento.

Se han desarrollado unidades específicas que consiguen grandes fuerzas

de enclavamiento pero generalmente con la desventaja de ofrecer saltos

mejores de 10 µm y con una gran masa, cosa que dificulta su trabajo a

elevadas revoluciones. Estos portaherramientas (figura 5.23) son muy

adecuados para desbastes con herramientas de diámetros mayores de

10 mm.

Pero se pueden encontrar también en el mercado portapinzas de menor

fuerza de enclavamiento, pero que ofrecen saltos de hasta 3 µm y que

pueden girar a más de 30.000 rpm sin ningún tipo de problema, muy

adecuados entonces para trabajos de acabado (figura 5.22). Un

inconveniente de este sistema acostumbra a ser el precio de coste de

cada unidad.

| |

Fig. 22.- Portapinzas con grado de calidad 2.5G y salto del orden de 3 µm

| Fig. 23.- Portapinzas de gran fuerza de enclavamiento |

Portapinzas hidráulicos

No son un sistema muy utilizado porque no aportan ninguna ventaja

específica. Su fuerza de enclavamiento no és muy alta ya que el salto

mínimo que ofrecen está en el orden de les 5 µm. Además, no es un

sistema flexible ya que cada unidad solamente puede montar un cierto



diámetro de herramienta.

Portaherramientas térmicos

No es un sistema muy utilizado actualmente, por una cuestión de cultura

y tradición, y no por falta de prestaciones.

El sistema se basa en la dilatación que padece el portaherramientas

cuando se somete a altas temperaturas (300°C, 400°C o más,

dependiendo del sistema y marca). Se aprovecha esta dilatación para

introducir la herramienta en la cavidad de enclavamiento y, en enfriar el

sistema, esta queda sujetada por la recuperación de la dimensión normal

del portaherramientas.

| |

Fig. 24.- Portaherramientas térmico de un solo cuerpo | Fig. 25.- Oto

ejemplo de porta herramientas térmico de un solo cuerpo |

Estos portaherramientas presentan una fuerza de enclavamiento muy

elevada y son los que tienen un mejor comportamiento en referencia al

salto: alrededor de 2 o 3 µm. El problema de éste sistema es su falta de

flexibilidad, ya que cada elemento solo puede anclar un determinado

diámetro de herramienta.

Se han desarrollado sistemas híbridos modulares (figuras 26, 27 y 28)

donde el portaherramientas se divide en dos cuerpos: el cuerpo central y

la pinza térmica. La pinza ha de ser de diámetro fijo, pero su

enclavamiento al cuerpo central permite la fijación de herramientas de

diferentes diámetros en este cuerpo central (que generalmente es la

parte más cara del producto). El precio de la unidad acostumbra a ser

bastante inferior al portaherramientas de pinzas, pero se ha de disponer

de una máquina apropiada para el calentamiento y enfriamiento del

portaherramientas, lo que encarece bastante el producto (figura 29).

| |

Fig. 26.- Portapinzas térmicos modulares | Fig. 27.- Detalle de

enclavamiento |



| |

Fig. 28.- Pinzas térmicas para sistemas modulares |

| |

| Fig. 29.- Diferentes máquinas de calentamiento y enfriamiento por

enclavamiento térmico |

5. Refrigeración

Cada vez más se está intentando mecanizar sin refrigerante, por razones

medioambientales y económicas. El tratamiento de los refrigerantes

líquidos después de su utilización es muy costoso y problemático. Así, se

están ensayando nuevas estrategias de mecanizado orientadas a trabajar

sin refrigerantes líquidos, o a reducirlos.

Sin embargo hay aplicaciones donde, por el momento, esta supresión, y

ni siquiera reducción, es posible, como en el caso del mecanizado de

aluminio.

Recordemos que la misión del refrigerante es refrigerar térmicamente la

zona de trabajo, pero también lubricar y ayudar a la expulsión de la

viruta de esta zona

En materiales pastosos tales como el aluminio o el cobre es

imprescindible el uso de taladrina (refrigerante líquido que en base agua)

en abundancia, pues ello ayuda al arranque y a la expulsión de la viruta

en la totalidad de las operaciones de mecanizado: desbaste,

semiacabado y acabado. Esta consideración se puede hacer hasta en el

caso de aceros de baja dureza.

Sin embargo, en el caso de aceros de alta dureza las temperaturas de

trabajo son demasiado elevadas, y la taladrina provoca un choque

térmico que es perjudicial para la herramienta ya que es difícil que esta

taladrina se reparta uniformemente por el corte de la herramienta y lo

refrigere por igual. Esto es especialmente importante en las operaciones

de desbaste.

Normalmente, para operaciones de acabado la utilización de refrigerante

líquido asegura una mejor calidad superficial, especialmente si la



máquina dispone de sistemas para estabilizar la temperatura. Es habitual

entonces utilizar refrigerante líquido en operaciones de acabado incluso

en materiales muy duros.

Opcionalmente se puede emplear aceite como refrigerante (ya sea en

estado líquido o en forma pulverizada) porque proporciona mejores

resultados en la calidad superficial de la pieza para aceros en general,

cobre y grafito. El problema del aceite es su potencialidad a la

inflamación, especialmente cuando las temperaturas de trabajo son tan

elevadas. Por este motivo no es el refrigerante más empleado en los

talleres de mecanizado. De todas formas es muy adecuado para el

mecanizado de electrodos de cobre y grafito, debido a que les

temperaturas de trabajo no son tan elevadas, reduciéndose así el riesgo.

Pero el sistema de refrigeración que se está imponiendo en el

mecanizado de los aceros es el de utilizar solamente aire a presión

dirigido al corte. Las propiedades refrigerantes del aire a presión no son

tan buenas como las de los refrigerantes líquidos, pero es sin duda

alguna un muy buen sistema para evacuar la viruta, al ofrecer la

seguridad de llegar a toda la superficie de corte. Además, no requiere de

ningún tratamiento residual después de su uso. Incluso se pueden

encontrar actualmente sistemas donde este aire a presión es

previamente enfriado a muy baja temperatura para aumentar su poder

refrigerante sobre el corte.

Sea cual fuere el refrigerante elegido se encuentran también distintas

opciones constructivas que permiten la aplicación de éste sobre el corte

de una manera más o menos efectiva.

Las muy usuales lanzas o surtidores laterales presentan el problema de

que es muy difícil su correcta orientación, especialmente si se han de

utilizar herramientas de longitud muy diferente de manera automática.

Además, no garantizan una distribución homogénea de la refrigeración.

La solución constructiva más adecuada es la utilización de la

refrigeración a través del cabezal. Ésta puede ser directamente a través

de la herramienta (existen herramientas que disponen de canales



interiores de flujo del refrigerante que orientan a este directamente a la

zona de corte) (figura 30) o a través del portaherramientas (figuras 31 y

32). La primera es la mejor, pero presenta el gran problema de que estos

tipos de herramientas tienen un precio mucho más elevado que las

normales. En la segunda opción, la más empleada, las herramientas son

estándar y los portaherramientas por esta tecnología ya están

normalmente preparados para estos tipos de refrigeración.

|

Fig. 30.- Esquema de la refrigeración a través de l’interior de la

herramienta |

| |

Fig. 31 | Fig. 32 |

Conos porta-herramientas para mecanizado de alta velocidad

Aitzol Lamikiz, José Antonio Sánchez, Miguel A. Salgado / Departamento

de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco

1. INTRODUCCIÓN

El montaje de las fresas en los centros de mecanizado es (otro más) un

factor de suma importancia a la hora de obtener piezas con la suficiente

precisión dimensional y calidad superficial. Esta sujeción debe cumplir

por otra parte una serie de requisitos, tales como:

* Montaje y desmontaje de la herramienta en la máquina debe ser

sencillo

* Permitir el cambio automático de éstas

* Ajuste preciso con el husillo de la máquina

* Permitir un perfecto alineamiento del eje de la herramienta con el eje

del husillo

* No introducir pérdidas de rendimiento ni rigidez en el sistema



* ...

De aquí se puede deducir que un buen sistema portaherramienta no va a

mejorar el comportamiento de una herramienta mal elegida o de un

husillo dañado. Sin embargo, un mal sistema portaherramienta si puede

reducir la vida de la herramienta y del husillo.

El papel de los conos en el MAV no es distinto al que poseen en el

mecanizado convencional. Sin embargo, el gran incremento de velocidad

del husillo (desde 6.000 rpm en convencional hasta 40.000 en MAV) ha

obligado a replantearse aspectos como la unión del cono con el husillo o

el equilibrado de los conos. Esto es debido a que la fuerza centrífuga

depende del cuadrado de la velocidad, por lo que esta fuerza crece de

manera dramática en el MAV.

2. CONOS ISO - HSK

Los conos porta herramientas tipo ISO establecen su posición cuando un

actuador (hidráulico o neumático) tira de él produciéndose un asiento del

cono dentro de otro cono tallado en el eje del husillo. Si la velocidad de

giro aumenta, la fuerza centrífuga también, provocando la expansión del

eje del husillo. Cuando esto sucede, los conos ISO, tienden a introducirse

más dentro del husillo debido a que el actuador sigue tirando de él. Esto

puede desencadenar 2 problemas:

* Imprecisión en el mecanizado, debido al desplazamiento que ha sufrido

la herramienta respecto al husillo.

* Atoramiento del cono en el caso de que el husillo frene de forma

brusca y recupere sus dimensiones.

Estas circunstancias hacen que los conos más extendidos en las

máquinas de alta velocidad sean los HSK.

| |

Cono ISO | Cono HSK |

Las principales ventajas que ofrecen los conos HSK se deben

fundamentalmente a dos factores.

Por un lado, el sistema de amarre se realiza mediante unas garras o

mordazas que se ajustan en un hueco tallado dentro del cono en forma



de copa. A medida que la velocidad de giro aumenta se garantiza el

contacto en todo momento, ya que la fuerza centrífuga expande las

mordazas que sujetan el cono contra el eje del husillo. Esta circunstancia

permite unas condiciones de corte más agresivas, además de aportar

mayor rigidez y precisión que los sistemas basados en conos ISO.

Por otro lado, en la unión del cono y el husillo, existe un doble contacto

entre las superficies del cono y el alojamiento del eje. El doble contacto

ofrece mayor repetitibilidad a la hora de volver a colocar el cono. Además

se evita que el conjunto cono-herramienta se introduzca dentro del

husillo, cosa que sucedía en el caso de conos ISO con altas velocidades

| |

HSK | ISO |

| Posición amarrada |

| |

| Posición de cambio de herramienta |

Sección del sistema de amarre del cono | Posiciones amarrada y suelta

del cono |

Las máquinas que utilizan conos ISO son más propensas al chatter que

las que utilizan HSK, debido a que la unión entre cono y husillo no es tan

rígida. La menor rigidez de esta unión hace caer la frecuencia natural de

vibración más baja y obliga a limitar los parámetros de mecanizado,

debiendo ser éstos menos agresivos.

Existen muchos tipos de conos HSK. Éstos se clasifican con 2 ó 3 cifras y

una letra, por ejemplo HSK-63A (el más común). Las cifras dan el

diámetro exterior del plato que asienta sobre la cara del husillo. La letra

indica el tipo de cono en función de diversos factores como longitud, etc.

En general, esta letra es:

* A: Tipo general

* B: Tiene un plato mayor que el A. Se utiliza para trabajos más agresivos.

* E y F: Iguales que A y B pero eliminando marcas y sistemas de guiado



que afectan al equilibrado

Una de las principal desventaja de los conos HSK, es su sensibilidad a la

presencia de partículas como viruta o lubricante. Si no se han limpiado

correctamente las superficies de contacto en la operación de cambio de

herramienta podrían quedar virutas en el husillo que impiden el correcto

asiento del cono. También es posible que se llene de impurezas la

cavidad del cono donde deben entrar las mordazas para su amarre. Esta

sensibilidad a las impurezas obliga a extremar los cuidados en los

cambios de herramienta. Una posible solución es soplar cada cono antes

de amarrarlo.

3. SUJECIÓN DE LA HERRAMIENTA

En general se busca una unión que cumpla los siguientes requisitos:

* Precisión, para minimizar la desalineación de la herramienta con el eje

del husillo (minimizar elrunout)

* Buscar la máxima rigidez a la unión

* Simetría del conjunto para evitar desequilibrio

Existen diversos métodos de sujeción de herramientas al cono, pero los

más comunes son la sujeción mecánica mediante pinza, cono hidráulico y

zunchado térmico.

4.1. Sujeción mecánica mediante pinza

Es el método más utilizado. Se basa en introducir la herramienta en una

pinza y ésta en el cono. Tras esta operación, se aprieta una tuerca que

empuja los segmentos de la pinza contra la herramienta, ejerciendo

presión sobre la misma. Las pinzas están divididas en segmentos para

que distribuyan la presión sobre toda la superficie de la herramienta de

forma uniforme, además de facilitar su deformación.

|

Cono de sujeción mecánica |

Este sistema es válido para la gran mayoría de las aplicaciones del MAV,

además de resultar económico. Otra ventaja de este sistema es que se

pueden tener distintas pinzas para un solo cono, pudiendo montar

herramientas de diferentes diámetros en un solo cono.



En cuanto a precisión, una pinza de alta calidad puede dar una

desalineación de 7- 8 mm a 25 mm desde el plano de la cara del cono.

Estos resultados se consiguen con conos y pinzas de muy alta calidad,

donde el ajuste se realiza de forma manual.

Para algunas operaciones, las pinzas de sujeción mecánica no son lo

suficientemente rígidas o precisas. En estos casos se deben utilizar los

conos hidráulicos o de zunchado térmico. Ambas técnicas aportan mayor

rigidez y precisión que la sujeción mecánica.

4.2. Conos hidráulicos

Los conos hidráulicos amarran la herramienta mediante un sistema

hidráulico. Rodeando al orificio por donde se introduce la herramienta

hay una membrana metálica. Adyacente a ésta se encuentra un depósito

de fluido (en la parte interior del cono). Mediante el accionamiento de un

tornillo, éste mueve un émbolo que aumenta la presión del fluido hasta

valores muy elevados. Esta presión es ejercida contra la membrana que

sujeta la herramienta firmemente.

|

Sección de cono hidráulico |

Debido a que todo el sistema hidráulico está aislado del exterior, las

impurezas como la grasa, viruta, etc. no pueden dañar el sistema de

amare.

Los conos de sujeción hidráulica minimizan la desalineación (runout) de

la herramienta respecto al cono. Según algunas marcas comerciales, se

puede llegar a valores por debajo de los 2.7 mm medidos a una distancia

de 2.5xhta desde el final del cono.

Además de precisión y rigidez, los conos hidráulicos son capaces de

soportar fuerzas de corte elevadas (tanto laterales como de torsión).

Como gran desventaja que plantean los conos hidráulicos se puede

achacar por un lado su elevado coste, hasta 5 veces más que uno

convencional y, por otro, que sólo se pueden utilizar herramientas de un

solo diámetro con cada cono. Algunos fabricantes resuelven este último

problema permitiendo introducir unas membranas adicionales entre la



original y la herramienta, ofreciendo así diferentes diámetros en un solo

cono. Estos fabricantes aseguran que cada membrana puede introducir

una desalineación adicional de 1mm aproximadamente.

Por lo general, este tipo de conos se utilizan en operaciones de acabado

y en el mecanizado de moldes en materiales duros.

4.3. Zunchado térmico

Son una alternativa a los hidráulicos. A diferencia de estos últimos, no

disponen de ningún sistema interno que ejerza presión para sujetar la

herramienta. En vez de esto, el cono es macizo con un taladro de

precisión donde encaja la herramienta.

A temperatura ambiente, el agujero es ligeramente menor que el

diámetro de la herramienta. Utilizando un calentador por inducción, se

calienta el cono y el orificio para la herramienta se dilata. Una vez

dilatado suficientemente, se introduce la herramienta y se deja enfriar

hasta temperatura ambiente. Al enfriarse el cono recupera sus

dimensiones sujetando fuertemente la herramienta. Este método sujeta

la herramienta al cono con una excelente rigidez y una desalineación

(runout) muy baja, al igual que en los conos hidráulicos. Además, debido

a que no son necesarios elementos como tornillos, etc. para sujetar la

herramienta, pueden ser perfectamente simétricos, lo cual resulta en

desequilibrios muy bajos.

| |

Equipo calentador por inducción | Conos de zunchado térmico |

Los conos empleados para el zunchado térmico son mucho más sencillos

que los hidráulicos y menos costosos. Sin embargo es necesario adquirir

el calentador por inducción como equipo adicional.

4. EQUILIBRADO

Un sistema desequilibrado es el que tiene su centro de masas

desplazado del eje de rotación del sistema. En función de la masa y del

desplazamiento, se originará un grado de desequilibrio mayor o menor.

Al hilo de esta definición, cabe decir que el sistema perfectamente

equilibrado no existe como tal, y lo que se debe conseguir es un grado de



desequilibrio admisible por el sistema.

El desequilibrio es un fenómeno que produce vibraciones, sobre todo a

altas velocidades. Estas vibraciones producen pésimas calidades

superficiales y puede provocar roturas de herramienta y de husillo. Este

desequilibrio no es tan importante en el mecanizado convencional, ya

que depende del cuadrado de la velocidad, luego si se pasa de 4.000 rpm

a 20.000 rpm, el efecto del desequilibrio se incrementa en un factor de

25.

Es obvio, por tanto, que para velocidades altas en el husillo (MAV) se

requieren herramientas equilibradas para obtener buenas calidades

superficiales y vidas de herramientas aceptables. El equilibrado busca

contrarrestar los efectos negativos de la excentricidad del sistema husillo

- cono - herramienta. Esta excentricidad indica la distancia entre el centro

de masas de la herramienta hasta su eje de rotación.

El desequilibrio se puede producir por

* Presencia de elementos asimétricos en el cono portaherramientas

(tornillos, marcas, etc.)

* Guías que no son perfectamente simétricas

* Imperfecciones en el propio cono

Otra fuente de desequilibrio son las propias herramientas y pinzas.

Cuando se adquiere un cono equilibrado, suele estarlo sin contar con los

demás elementos. Es necesario realizar el montaje de todos elementos

de forma precisa, ya que sino se introducen desequilibrios. Además estos

serán mayores cuanto más pesada y larga sea la herramienta. El MAV

obliga el uso de herramientas simétricas, no siendo en absoluto

aconsejable utilizar herramientas desequilibradas como brocas de un

solo filo, etc.

El problema real no es el desequilibrio en si, sino la combinación de este

desequilibrio con altas velocidades de giro del husillo. La fuerza debida a

este desequilibrio es de la forma:

| Fdeseq: Fuerza debida aldesequilibrio en Nw



U: Desequilibrio en g· mm

S: Velocidad del husillo en rpm. |

En la figura se puede observar la fuerza de desequilibrio para distintos

niveles de desequilibrio.

|

Valores de la fuerza obtenidas para diferentes desequilibrios de

herramienta |

Si el desequilibrio es grande (6 a 8 g·mm) la fuerza debida al desequilibrio

puede ser del orden de la fuerza de corte, sobre todo en operaciones de

acabado. Como norma general se debe mantener la Fdeseq por debajo

de las fuerzas de corte.

Actualmente, la norma más extendida para establecer este equilibrado

es la ISO 1940-1. Este estándar establece distintas “clases G”. Cuanto

menor sea la clase G, mejor equilibrado implica. Muchos fabricantes de

conos están produciendo conos de clase G1.0 a G2.5. Este valor G dicta el

máximo desequilibrio utilizando la fórmula:

| U: Desequilibrio admisible [g·mm]

S: Velocidad del husillo en rpm

m: masa del sistema [Kg]

G: Clase G dado por ISO 1940 - 1 |

|

Valores de desequilibrio en función de la clase G y de la velocidad de giro

|

A pesar del uso de la norma ISO, ésta fue diseñada para el equilibrado de

rotores de turbinas, por lo que los valores de desequilibrio obtenidos son

en ocasiones excesivamente restrictivos para la mayoría de las

aplicaciones de mecanizado. Otro problema es que, según la norma, se

permite un desequilibrio mayor a las herramientas más pesadas, cuando

estudios experimentales demuestran que cuanta mayor sea la masa de

las herramientas, menos desequilibrio es permitido. Como conclusión, se



puede decir que el uso de las clases G son muy restrictivas y aumentan

los costes de equilibrado de conos, pero que sirve para que el usuario

que adquiere el cono tenga una garantía de su correcto equilibrado. Aún

así, existen numerosas discrepancias sobre la extrapolación de esta

norma.

Por último, para minimizar el desequilibrio del conjunto herramienta –

cono (y pinza si existe), se puede:

* Minimizar el runout de la herramienta

* Siempre que sea posible, utilizar herramientas cortas

* Manipular el conjunto con sumo cuidado.

Electromandrinos de altas prestaciones para MAV

Las cabezales de alta velocidad son elementos críticos si se quiere

emplear el mecanizado a alta velocidad. La firma Goialde-HS y el Centro

Tecnológico Fatronik así lo han entendido y presentan a continuación un

detallado análisis acerca de los electromadrinos, que incluye las

necesidades de los usuarios finales.

Redacción MU

Los fabricantes de máquinas herramienta están continuamente

recibiendo demandas de mayor productividad y calidad en el proceso de

mecanizado. Para hacer frente a estas demandas, los fabricantes están

ofertando máquinas con mayores velocidades de avance y de giro de los

cabezales a fin de conseguir un incremento en el caudal de viruta

eliminado. Este proceso de mejora continua de las prestaciones de las

máquinas herramienta involucra sobre todo al accionamiento y amarre

de la herramienta, es decir, al cabezal. El cabezal es, por consiguiente,

uno de los componentes críticos en este proceso de mejora continua de

las prestaciones de las máquinas herramienta.

Históricamente los cabezales se han concebido para bajas velocidades de

corte y elevados pares. Estos requerimientos, sin embargo, sólo son

válidos para procesos de mecanizado convencionales de acero y otros

materiales con elevadas fuerzas específicas de corte. Sin embargo, los



procesos de corte están evolucionando hacia mayores velocidades de

corte de manera que disminuyan los requerimientos de fuerza y par. Por

todo ello los usuarios de máquinas herramienta demandan una nueva

generación de cabezales de mayor potencia y vida de servicio adecuados

para procesos de mecanizado a mayores velocidades de corte. Ante estas

demandas emerge la solución de los husillos con accionamiento de

motor integrado, conocidos comúnmente como electromandrinos, que

se presentan como la mejor alternativa por la multitud de ventajas que

ofrecen: Ausencia de motor exterior y de elementos intermedios de

transmisión, bajas inercias, menor peso y un diseño compacto fácilmente

integrable en la máquina herramienta.

Ante esta creciente demanda de electromandrinos, el centro tecnológico

Fatronik y la empresa Goialde HS, han emprendido el desarrollo de

electromandrinos de altas prestaciones para los diversos usuarios

demandantes de dichos productos.

Tabla 1. Requerimientos de los usuarios por sectores

1. Demandas de los usuarios de electromandrinos

oialde HS, en estrecha colaboración con Fatronik, está desarrollando

electromandrinos que, por una parte, sirvan para las necesidades de

distintos sectores (molde, automoción...), pero que a su vez sean

versátiles y sirvan para distintos procesos de mecanizado. Goialde HS ha

realizado un estudio de mercado que ha permitido conocer las

necesidades de los principales sectores potenciales usuarios de los

electromandrinos de altas prestaciones: molde y matriz, automoción y

aeronáutica.

Tras haberse realizado una extensa encuesta entre fabricantes de

máquinas herramienta, asociaciones de usuarios de máquinas y los

propios usuarios de máquinas, se ha realizado un análisis de los datos

que ha desembocado en los resultados que aparecen en la Tabla 1.

Tabla 2. Características de dos electromandrinos



Ante esta creciente demanda de electromandrinos, el centro tecnológico

Fatronik y la empresa Goialde HS, han emprendido el desarrollo de

electromandrinos de altas prestaciones para los diversos usuarios

demandantes de dichos productos

2. Electromandrinos de Goialde HS

En la Tabla 2 pueden verse dos ejemplos de electromandrinos de Goialde

HS, así como su campo de aplicación.

3. Conclusiones

Los cabezales de alta velocidad son los componentes más críticos a la

hora de implementar el mecanizado a alta velocidad. Si se quiere ofertar

una gama de electromandrinos que satisfaga plenamente los

requerimientos provenientes de los sectores demandantes de estos

componentes, resulta imprescindible conocer con detalle las necesidades

de par, potencia, velocidad y precisión de los usuarios finales. Estas

elevadas exigencias de calidad y precisión exigen un detallado análisis

del comportamiento térmico y dinámico que ha sido posible gracias a la

colaboración de Fatronik. Este análisis ha sido completado mediante una

validación experimental en un banco de pruebas específico para

electromandrinos en el que se han podido contrastar

experimentalmente todas las hipótesis planteadas en las fases de diseño

y cálculo

Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad



1. INTRODUCCIÓN

En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía

mecánica se transforma en energía térmica a través del cizallamiento,

corte y fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento de la

herramienta. Aunque gran parte de la energía es evacuada por las

virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al punto de corte y a la

cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación



de energía provoca fenómenos no deseados en el proceso de

mecanizado:

a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.

b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisión

geométrica disminuye debido a la expansión de la herramienta y de la

pieza con el calor.

En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales:

lubricación, refrigeración y retirada del material excedente

Lubricación: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la

herramienta mediante la disminución de la fricción entre la cara de

incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así como entre la

cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan

directamente en el punto de fricción, creando una capa protectora en esa

zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramienta y la

pieza.

Refrigeración: Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado

durante el proceso por el rozamiento entre pieza y herramienta, además

del calor generado por deformación plástica en el proceso de formación

de la viruta.

Retirada del material excedente. La evacuación y transporte de las

virutas es una de las funciones más importantes de los fluidos

lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la

pieza e influyen en la precisión final del componente mecanizado. Por

otra parte, las virutas tienen un alto impacto en la vida de la herramienta

cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas

en el punto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de

descascarillado en los filos de corte.

2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES

Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes más

efectivos en términos de productividad de los procesos de mecanizado,

aunque también tienen un factor indeseable.

En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental



de los procesos de fabricación han sido objeto de amplios estudios y

consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo

se vuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan

debido al calor generado en el proceso de corte. Los lubricantes poseen

gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfúrico)

que tienen alta influencia no sólo en la salud de los operarios sino

también en el posterior tratamiento y almacenaje de los residuos.

3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES

En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos

aspectos que hacen a este proceso un tanto peculiar en referencia al uso

común de lubricantes y refrigerantes.

En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta

es extremadamente corto debido a la alta velocidad de giro del cabezal,

por lo que la transferencia de calor a la herramienta es también pequeña

y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de

lubricación. Esta presunción es siempre dependiente del material que

estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende del

coeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a

la mayoría de aceros, en algunos tipos de aleaciones ligeras (aluminio y

magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleaciones de

baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).

El desarrollo de recubrimientos de última generación, con una excelente

resistencia a alta temperatura favorecen la posibilidad de realizar el

mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con una

mínima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).

Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista

económico y medioambiental, la industria está sugiriendo nuevos

procesos y métodos de lubricación. El paso más lógico para evitar estos

problemas es el mecanizado en seco. Algunas herramientas recubiertas

de cerámica, carburo de tungsteno con carbono (WC/C), nitruro de titanio

-aluminio (TiAlN), bisulfuro de molibdeno (MoS2), diamante, etc, han

demostrado un excelente comportamiento en el mecanizado en



condiciones de ausencia de lubricación. Estos materiales de

recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen

incrementos de vida de herramienta de entre el 30 y el 70%. Sin

embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben

ser consideradas como particularmente críticas.

En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100%

por cualquier razón tecnológica, el mecanizado MQL proporciona una

alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que la

cantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 -

0.5 ml/min, tanto la herramienta como la pieza permanecen secas, con lo

que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así

como los riesgos a la salud de los operarios.

|

Sistemas de lubricación MQL externo e interno |

En el mecanizado con lubricación MQL la función de refrigeración se

consigue a través de la gran cantidad de aire que se insufla en la zona de

corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza se

consigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.

Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad

Xabier Sabalza, Ramón Uribe-Etxeberria

Ideko Centro Tecnológico

1. Introducción

La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a

procesos de mecanizado en los cuales la velocidad de corte se ha

incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a

gran parte de las tecnologías implicadas en el proceso de corte.

Uno de los elementos clave es, evidentemente, la máquina herramienta,

a la cual se le exige un mayor grado de rapidez y precisión, lo que hace

que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren una

importancia fundamental en el buen hacer de la misma.



Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades

de avance superen los 100 m / min, y más importante quizás que el valor

del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando se mecanizan

formas complejas, considerándose necesarios valores de al menos 1g o

incluso mayores.

Hoy por hoy, la tecnología de los accionamientos en máquina

herramienta está dominada por los servomotores rotatorios usados en

conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisión

como los husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo

dichos componentes los que limitan en la actualidad los valores de

velocidad y aceleración alcanzables. Los motores lineales juntamente con

potentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de

prestaciones para máquinas herramienta de alta velocidad.

2. ¿Qué es un motor lineal?

La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un

motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de

sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.

Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un

elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento

secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer,

aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios

primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los

motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto

con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador

electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal.

Integración de un motor lineal en un carro de máquina herramienta.

3. ¿Qué ofrecen los motores lineales?

Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos,

el valor limitado de la rigidez junto con la existencia de posibles holguras

en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta una

longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una



aceleración de hasta 1g en el mejor de los casos. Las aplicaciones con

motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica, que

debido a su elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con

una naturaleza oscilatoria, limitando la dinámica y la ganancia del factor

Kv. La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el

campo magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los

accionamientos tradicionales basados en transmisiones mecánicas:

* Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.

* Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces mas

importante que el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos

de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o incluso

más.

* Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores

valores del factor Kv, que dan una idea de la rapidez y calidad de

respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza a altas

velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la

velocidad y precisión en aplicaciones de contorneado se incrementan

notablemente

* Reducción de los niveles de vibración Mayores cursos sin comprometer

el grado de prestaciones

La tabla muestra una pequeña comparación entre las prestaciones

típicas que ofrecen los motores lineales y los husillos a bolas

| Husillo a bolas | Motor lineal |

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

Aceleración máxima | 0,5 – 1 g | 2 – 10 g |

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

Tiempo posicionado | 100 ms | 10 – 20 ms |

Fuerza máxima | 26.700 N | 9.000 N/bobina |

Fiabilidad | 6.000 – 10.000 h | 50.000 h |

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

brief)

Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de



motores lineales presenta una serie de inconvenientes. Una de las pegas

de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que se genera,

por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeración y/o

aislamiento térmico de los accionamientos para que puedan operar con

precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, las

dilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina

pueden comprometer su nivel de precisión y prestaciones. Todo ello

incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La no

existencia de elementos de transmisión mecánica que amortigüen los

cambios de carga repentinos o cualquier otro tipo de perturbación

mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controlador

electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido parta

mantener la estabilidad. Es habitual emplear técnicas de filtrado

sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores se

utilizan en condiciones dinámicas exigentes.

Módulo de mecanizado basado en motores lineales desarrollado en

Ideko, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10 m/s2.

4. Conclusiones

Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las

transmisiones utilizadas en los accionamientos tradicionales,

proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad,

aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes

ventajas, abriéndoles un amplio campo de aplicación y de futuro. Sin

embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos

rotatorios de forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales

en diseños ya existentes, sino que es necesario realizar un completo

rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que

ofrecen. Es necesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y

tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevos desarrollos.

Controles numéricos para MAV



Xabier Sabalza, Ramón Uribe-Etxeberria


1. INTRODUCCIÓN

Las aplicaciones de alta velocidad en máquina herramienta exigen un

nivel mínimo de prestaciones a los CNCs que gestionan el proceso de

mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altas

velocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de precisión

requerido.

El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el intérprete del

programa, el cual descifra el programa escrito en formato ISO de manera

que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado en el

interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es

necesario realizar una serie de transformaciones como compensación de

la geometría de la herramienta, escalado, rotación, cinemática de la

máquina, etc. Después, el interpolador actúa enviando a los servos las

consignas adecuadas.

En aplicaciones de contorneado, la forma más habitual de especificar las

trayectorias que debe seguir la herramienta está basada en la generación

de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan interpolaciones

lineales. Cuanta más precisión se exige, mayor es el número de puntos, y

el hecho de tener que procesar toda esa cantidad de información con

precisión y a gran velocidad impone la adopción de soluciones

específicas en los controles numéricos para alta velocidad.

EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los

diferentes errores que se producen dentro de las tolerancias

establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como

cabe esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de

avance que se requieren. En los siguientes puntos se analizan las

prestaciones que puede disponer un CNC para trabajar en alta velocidad.

Existen en el mercado numerosos fabricantes de CNCs especialmente

diseñados para el mecanizado de alta velocidad, entre ellos podemos

citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num,



etc.

|

CNCs Fidia para alta velocidad |

2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD

3.1. Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre

entre cada medida de posición y actualización de la consigna que el CNC

envía a los diferentes servoacionamientos.

El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede

obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o

viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas

determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para

una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclo del servo de 1

ms, se tiene que por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se

ha movido 0,2 mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs

dispongan de tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con

precisión con valores de avance rápidos.

El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en

cuenta para mecanizar rápido con precisión. Los CNCs para alta

velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del

orden de unos 100s.

3.2. Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque es el mínimo tiempo que transcurre

entre la ejecución de dos bloques del programa de CNC. El tiempo

proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar

un dato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias

(compensaciones, transformaciones...), y además iniciar y terminar el

movimiento en cuestión. En alta velocidad, y especialmente para

aplicaciones de contorneado, es habitual exigir tiempos de proceso de

bloque de 1 ms.

La velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisión

determinada depende de la capacidad de aceleración de la máquina.



Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de la

capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de

ejecución del mecanizado.

Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales

El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, permite a

éste disponer de más información sobre el estado de los accionamientos

así como influenciar el comportamiento de los lazos. Los accionamientos

digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:

Alta resolución digital en la monitorización de la

velocidad y la trayectoria.

Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:

Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también

conocidos como feed-forward de velocidad y aceleración. Se trata de

controles en avance que permiten una importante reducción de los

errores de seguimiento ante cambios de consigna.

Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la

amortiguación del sistema electromecánico para poder incrementar el

valor de la ganancia Kv del lazo de posición y trabajar con un mayor

grado de precisión.

Compensaciones de fricciones estáticas y holguras

Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo

osciloscopio o analizador de frecuencias integrados.

Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal

(DSP), tales como la implementación de filtros digitales.

3.3. Look-Ahead

Quizás una de las prestaciones más importantes de la que es necesario

que cualquier CNC disponga para trabajar en alta velocidad sea la

función “look-ahead” (mirar en adelanto). En la función Look-Ahead el

procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los

movimientos de los ejes que aparecen en el programa de pieza que se

está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde,

permitiendo a la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la



máquina mantener el avance a valores relativamente altos evitando

marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y

paradas de la máquina, por medio de ir ajustando la velocidad mirando

el programa por adelantado.

| |

Look ahead: Fuente Siemens | |

No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por

adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia en función de los detalles

de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la

máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina

(menor aceleración), mayor número de bloques Look-Ahead serán

necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en Look-Ahead que

el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde

potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones

innecesarias. El número típico en alta velocidad está por encima de 100

bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000

bloques.

3.4. Control de aceleraciones

El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la

mecánica de la máquina herramienta y provoca vibraciones en los ejes.

Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo

que hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que

tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el comportamiento

de la máquina.

| |

Perfiles de aceleración | |

Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la

aceleración, sustituyendo la curva trapezoidal por una curva en forma de

campana, por ejemplo una función sen2.

Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble

beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida

la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de



vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar

el valor de la velocidad y reducir el error.

3.5. Capacidad de almacenamiento. Ethernet.

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM

para el mecanizado de piezas en 3D, ocupan varios megas de memoria

debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.

Los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las

cuales proporcionan discos duros con capacidades de almacenamiento

de gigas, por lo que el problema del espacio que existía antiguamente ya

no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las

ventajas añadidas que supone una conexión de este tipo en cuanto a la

transmisión y utilización de cualquier tipo de información.

3.6. Interpolación polinómica. NURBS.

Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemáticos que

definen exactamente una curva o superfice a partir de varios puntos de

control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unos pesos

asociados a los mismos. Los pesos actúan esencialmente como la

gravedad, produciendo deformaciones en la dirección de los puntos de

control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor será el

número de puntos de control que deberá especificarse, pero, en todo

caso, el número de puntos generados será menor que el necesario

utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. La reducción en

el número de puntos manejado en las curvas habituales está en una

proporción de entre un 30 y un 50%.

El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa

evidentemente de la disponibilidad de un CNC con interpolador

polinómico, capaz de procesar la información codificada en esta forma.

| > | |

Ejemplos de curvas NURBS |

Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con

NURBS para la definición de curvas y superficies. La disponibilidad de un



CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminación de un paso

intermedio generador de error a la hora de aproximar una trayectoria

curva a una de multitud de tramos rectos, con el consiguiente

incremento de la calidad superficial, disminución de la talla del fichero de

la trayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.

La reducción del volumen de datos que se obtiene con la especificación

de las trayectorias mediante NURBS tiene importancia en el caso de

utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hasta

fechas recientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y

con la posibilidad de aplicar la función look-ahead, diluyen algunas de las

ventajas del uso de los NURBS.

En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a

desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de

ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los

CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a

velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la

capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema

electromecánico.

3. CONTROLES ABIERTOS

Los fabricantes de CNC's actuales están apostando cada vez más por los

denominados controles abiertos, los cuales básicamente aprovechan la

arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias,

poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.

La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos

sistemas abre enormemente las posibilidades de los CNCs actuales. De

esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado para

el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por

tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se

solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes,

diferentes de los fabricantes de CNCs.

4. CONCLUSIÓN

Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el



mecanizado de alta velocidad, cabe destacar la necesidad de disponer de

CNCs con tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo de servo que,

junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas

aceleraciones y velocidades de los ejes. También hay que subrayar la

necesidad de disponer de algoritmos de look-ahead para obtener altas

velocidades de ejecución de los programas.

Los CNC y el MAV

Xabier Sabalza


El mecanizado de alta velocidad es un término muy en boga en la

actualidad en el campo del mecanizado por arranque de viruta. Tanto es

así que se puede encontrar en boca de los fabricantes de máquinas

herramienta, de los suministradores de la mayoría de los elementos que

las componen (accionamientos, controles, herramientas, rodamientos,...),

de los vendedores de paquetes CAD/CAM, de cualquier artículo de la

prensa especializada, y evidentemente, de los usuarios de las máquinas.

Dicha técnica hace referencia a una serie de procesos de mecanizado en

los cuales la velocidad de giro del cabezal se ha incrementado de manera

notable, y para cuya consecución se ven implicadas una serie de

métodos y tecnologías avanzadas en el diseño, construcción y utilización

de máquinas.

A la hora de construir o adquirir máquinas herramienta para labores de

mecanizado de alta velocidad, es conveniente tener claros una serie de

aspectos que afectan a su operación, tales como la mecánica, los

accionamientos, o los CNCs que las gobiernan. El presente artículo trata

de poner un poco de luz en éste último aspecto.

CNCs Fagor para alta velocidad

1. INTRODUCCIÓN

El término “alta velocidad” aparece frecuentemente utilizado en la

literatura especializada con diversos significados. No existe una



definición precisa, siendo un término general que se aplica a un amplio

rango de operaciones de mecanizado en las cuales la velocidad de giro

del cabezal se ha incrementado de manera notable. Esta ampliamente

aceptado considerar alta velocidad al mecanizado con cabezales que

posean un rango de funcionamiento por encima de las 8.000 rpm.

En la práctica, el mecanizado de alta velocidad consiste básicamente en

sustituir pocas pasadas lentas de gran profundidad de corte por muchas

pasadas rápidas de menor profundidad de corte, obteniéndose un

importante incremento en la cantidad de material desalojado. En la

actualidad es posible encontrar máquinas con velocidades de cabezal del

orden de 20.000 rpm, pudiendo llegar incluso a 50.000 rpm en algunas

máquinas comerciales y a 100.000 rpm en prototipos de laboratorio.

Tal y como se ha mencionado, el incremento de la velocidad de giro del

cabezal debe de ir acompañado de un incremento de la velocidad de

avance de los ejes. Sin embargo es quizás más importante disponer de

valores altos de aceleración que de velocidad, pudiéndose encontrara

actualmente valores típicos del orden de 1g, aunque pueden llegar a

verse máquinas con valores de 2g e incluso más.

La capacidad de aumentar de forma notable la velocidad de arranque de

viruta conlleva la clara ventaja de disminuir el tiempo de mecanizado.

Este factor es especialmente importante en aplicaciones que involucran

operaciones de mecanizado de contornos complejos, como es el caso de

los moldes.

Por otro lado, el empleo de una mayor velocidad de corte permite

reducir el grosor de la viruta arrancada sin pérdida de tiempo en el

proceso de producción, lo que revierte en el incremento de la vida de las

herramientas, y en el incremento de la precisión del mecanizado,

pudiendo así eliminarse etapas finales de acabado superficial.

De los varios sectores industriales con amplia aplicación del mecanizado

de alta velocidad destacan principalmente: el sector aeronáutico, debido

sobre todo a las altas velocidades aplicables en el mecanizado de

aluminio, el sector del molde y troquel, por la eliminación del proceso de



acabado, y el de automoción, debido al notable aumento de la

productividad que es posible obtener.

Junto con estas ventajas, la alta velocidad también impone un cierto

número de requerimientos prácticos que deben de cumplir los

elementos que componen la máquina herramienta: mecánica,

accionamientos y control. Desde el punto de vista mecánico es necesario

dotar a la máquina de una rigidez elevada, además de cuidar aspectos

relativos al cabezal y a las herramientas (rodamientos, equilibrado,...).

Los accionamientos deben de posibilitar la obtención de las velocidades y

aceleraciones requeridas, por lo que es necesario optimizar al máximo

sus prestaciones, sin olvidar el posible uso de nuevos tipos de

accionamientos tales como los motores lineales. Las secciones siguientes

describen los requerimientos relativos al control numérico.

2. ¿CÓMO TRABAJA EL CNC?

Cuando se desarrollaron los sistemas de control numérico (CNC –

Computerized Numerical Control) la idea consistía en preplanificar cada

movimiento que el operario realizase, para posteriormente ejecutarlos

secuencialmente de manera rápida, evitando las imprecisiones que se

cometen en cualquier proceso manual. El desarrollo continuó ampliando

el movimiento punto a punto a interpolaciones circulares y helicoidales, y

agregando multitud de funcionalidades adjuntas.

El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el interprete del

programa, el cual descifra el programa escrito en formato ISO de manera

que pueda ser asimilado por el sistema de control y ejecutado en el

interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es

necesario realizar una serie de transformaciones como compensación de

la geometría de la herramienta, escalado, rotación, cinemática de la

máquina, etc. Después, el interpolador actúa enviando a los servos las

consignas adecuadas.

EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los

diferentes errores que se producen dentro de las tolerancias

establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como



cabe esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de

avance que se requieren.

La forma más habitual de especificar las trayectorias que debe seguir la

herramienta en una operación de mecanizado esta basada en la

generación de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan

interpolaciones lineales. El CAD (Computer Aided Design) permite realizar

el diseño de la pieza a mecanizar como una concatenación de elementos

geométricos simples, mientras que el CAM (Computer Aided Machining)

define, a partir de la información CAD, la trayectoria a seguir por la

herramienta para realizar el mecanizado de la pieza, siendo aquí donde

se realiza la traslación de la trayectoria a puntos discretos. La serie de

puntos es posteriormente cargada en el control numérico, que los

ejecuta de forma ordenada.

Evidentemente, la aproximación de una trayectoria curva mediante una

serie de tramos rectos entre los puntos especificados por el CAM supone

una pérdida de precisión. En el caso de trayectorias con pequeño radio

de curvatura, el número de puntos especificado sobre la curva, esto es, la

densidad de puntos, deberá ser mayor que en el caso de trayectorias casi

rectas. Sólo así se podrá mantener un grado de precisión constante a lo

largo de toda la trayectoria.

De forma equivalente, un aumento en los requerimientos de precisión a

lo largo de toda la superficie mecanizada obliga a especificar un mayor

numero de puntos en la definición de la trayectorias.

El hecho de tener que procesar una gran cantidad puntos con precisión y

a gran velocidad impone la adopción de una serie de soluciones en los

controles numéricos para alta velocidad.

Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre

entre cada medida de posición y actualización de la consigna que el CNC

envía a los diferentes servoacionamientos. Es posible incurrir en errores

ya que muchos lo denominan tiempo de proceso de bloque, el cual es el

mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques de



programa (también se mide en bloques por segundo). Hay que tener

cuidado de saber a que se está refiriendo cuando se menciona el tiempo

de proceso de bloque. El tiempo de ciclo del servo (servo cycle time) está

más bien relacionado con el interpolador, y el tiempo de proceso de

bloque (block cycle time) con el intérprete de programa.

El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede

obtener para un eje moviéndose con un avance determinado, o

viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas

determinada marca la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para

una velocidad de avance de 6 m/min y tiempo de ciclo del servo de 1 ms,

se tiene que

por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se ha movido 0,2

mm. Este problema de resolución obliga a que los CNCs dispongan de

tiempos de ciclo del servo rápidos si se quiere trabajar con precisión con

valores de avance rápidos.

Tiempo ciclo servo tcs

(ms) | Ciclos/s.

1/ tcs | Dist. ciclo para

f = 3 m/min

(mm) | Dist. ciclo para

f = 10 m/min

(mm) | Dist. ciclo para

f = 30 m/min

(mm) |

20 | 50 | 1 | 3,33 | 10 |

10 | 100 | 0,5 | 1,66 | 5 |

3 | 333 | 0,15 | 0,5 | 1,5 |

1 | 1000 | 0,05 | 0,16 | 0,5 |

0,4 | 2500 | 0,02 | 0,06 | 0,2 |

0,1 | 10000 | 0,005 | 0,016 | 0,05 |

La tabla muestra claramente la importancia que tiene el disponer de



tiempos de ciclo de servo rápidos para trabajar con rapidez y precisión. A

mayor velocidad de avance se exige mayor velocidad de ciclo del servo.

Las exigencias en cuanto a velocidades de avance irán incrementándose

paulatinamente, ya que el resto de tecnologías implicadas en los

procesos de alta velocidad así lo permiten.

El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en

cuenta para mecanizar rápido con precisión.

Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque (block cicle time) es el mínimo tiempo

que transcurre entre la ejecución de dos bloques del programa de CNC.

No hay que confundir este tiempo con el tiempo de ciclo de servo, ni con

el tiempo que tarda el CNC en interpretar una línea de bloque de

programa. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el

CNC para interpretar un dato del programa, incluyendo todas las

funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones,...), y

además iniciar y terminar el movimiento en cuestión. Entonces, quizás

haya menor lugar a dudas si se habla de los bloques por segundo que

puede ejecutar el CNC.

Idealmente, la velocidad de ciclo del servo debe de ser mayor que la de

proceso de bloque, para que se pueda ejecutar el movimiento

especificado en el bloque. En el límite, y según como esté construido el

CNC, el tiempo de proceso de bloque podría incluir un único ciclo de

servo, lo que causa a veces confusión al utilizar los diferentes términos.

Fig. 1 Error cordal

Existe una correlación entre la capacidad de aceleración de la máquina y

el tiempo de proceso de bloque, manteniendo una precisión

determinada. La Fig. 1 muestra la ejecución de una trayectoria circular

aproximada como una serie de tramos rectos, tal y como hacen la

mayoría de los paquetes de CAM. El recorrido de cada uno de estos

segmentos se ejecuta como muy rápido en un tiempo igual al de proceso

de bloque T. Cuanto más corto sea el segmento (menor T), menor será el



error cometido, pero hará falta un mayor número de segmentos para

completar el recorrido. Si se define la precisión con la que se quiere

trabajar, se puede determinar el tiempo de proceso de bloque T

necesario.

Como se ve en la figura, el error que se comete al aproximar por tramos

rectos un arco de máxima aceleración centrípeta es máximo en el punto

medio del segmento. En este punto, la distancia recorrida es igual a V·

(T/2).

Utilizando equivalencias trigonométricas, se puede demostrar que el

error cordal E es

Por lo tanto, el tiempo de ejecución es directamente proporcional al error

e inversamente proporcional a la aceleración de la máquina

Por tanto, la velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una

precisión determinada depende de la capacidad de aceleración de la

máquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo

de la capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de

ejecución del mecanizado. No es necesario elegir un CNC demasiado

rápido si el sistema no es capaz de desarrollar grandes aceleraciones.

Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales

En el trabajo en alta velocidad, unos de los principales factores

limitadores son los aspectos electromecánicos de la máquina. Esto obliga

a exprimir al máximo las prestaciones que se puedan obtener de los

accionamientos.

El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, en lugar

del tradicional interface analógico, permite al CNC disponer de más

información sobre el estado de los accionamientos así como influenciar

el comportamiento de los lazos. Los accionamientos digitales permiten al

CNC disponer de funciones tales como:

· Alta resolución digital en la monitorización de la velocidad y la

trayectoria.



· Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:

- Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también conocidos

como feed-forward de velocidad y aceleración. Se trata de controles en

avance que permiten una importante reducción de los errores de

seguimiento ante cambios de consigna.

- Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la amortiguación

del sistema electromecánico para poder incrementar el valor de la

ganancia Kv del lazo de posición y trabajar con un mayor grado de

precisión.

- Compensaciones de fricciones estáticas y holguras

· Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo osciloscopio o

analizador de frecuencias integrados, muy útiles a la hora de realizar

óptimas sintonías.

· Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales

como la implementación de filtros digitales para evitar el trabajo en

frecuencias conflictivas.

No existe un estándar para interfaces digitales, existiendo una amplia

variedad en el mercado, lo que exige restringe el abanico de selección de

la pareja CNC-accionamientos. Muchos de los interfaces están

implementados en fibra óptica, lo que les aporta además inmunidad ante

la polución electromagnética.

Look-Ahead

Quizás una de las prestaciones más importantes que es necesario que

cualquier CNC disponga para trabajar en alta velocidad sea la función

“Look-Ahead” (mirar en adelanto). En la función look-ahead el procesador

del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los

ejes que aparecen en el programa de pieza que se está ejecutando para

responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo a la máquina

realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la máquina mantener el avance

a valores relativamente altos evitando marcas en el mecanizado,

redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la máquina, por

medio de un ajuste continuo de la velocidad mirando el programa por



adelantado.

La manera en la que la inmensa mayoría de los paquetes de CAM

construyen el programa de mecanizado que debe de ejecutar el CNC es

convertir cualquier trayectoria compleja en una sucesión de puntos entre

los cuales el CNC realiza una interpolación lineal. Como parámetro, hay

que especificar al paquete de CAM la desviación cordal máxima que se

puede permitir.

Fig. 2.- Ejemplo de aproximación por segmentos rectos

Como se ve en la Fig. 2, la desviación cordal es el error que se comete al

aproximar una curva por una serie de tramos rectos. Cuanta más

precisión se necesita, menor tienen que ser la desviación cordal y por

tanto mayor es el número de puntos. En la practica de los mecanizados

en 3D, si se quieren obtener buenos resultados con elevada precisión y

buen acabado, la densidad de puntos que definen el mecanizado es muy

alta y están muy juntos entre sí.

Si los puntos están muy juntos entre sí es muy posible que, con las

velocidades de avance con las que se trabaja, se produzcan

sobrepasamientos durante el mecanizado, debido a la precisión que

proporciona el tiempo de ciclo del servo. Si el CNC solo mira un punto en

avance, solo dispone de la distancia que le proporciona un punto para

decelerar la máquina.

Fig. 3.- Ejemplo de aplicación del Look-Ahead. Sin activarlo, la velocidad

de avance que se alcanza es muy baja, muy lejos de la programada

Otro error común que aparece cuando no se utiliza Look-Ahead es el

redondeado de las esquinas. En este caso aparecen redondeos de aristas

vivas debido al esfuerzo del control de ejecutar el programa de forma

rápida, saltando de un bloque al siguiente antes de que el predecesor se

haya completado.

También es frecuente el caso en el que la máquina se mueve de modo

discontinuo, con continuos arranques y paradas en las zonas con mucha



densidad de datos, ya que el CNC no es capaz de procesar los bloques

del programa lo suficientemente rápido como para mantener el avance.

La solución a este problema pasa siempre por disminuir el valor del

avance. La función Look-Ahead analiza varios bloques del programa a

ejecutar por adelantado, buscando cambios abruptos en la trayectoria de

la herramienta. Cuando encuentra un cambio en la trayectoria, ajusta el

valor del avance, dando a los servos el tiempo suficiente para acelerar o

decelerar para mantener la trayectoria. Esto permite ejecutar el

movimiento en rectas o curvas generosas al máximo valor de avance

solicitado, y éste solo se reduce cuando la curvatura de la trayectoria así

lo exige. Sin el look-ahead, habría que programar el avance para el peor

de los casos.

Fig. 4 El Look-Ahead adapta la velocidad en función del perfil a

mecanizar.

No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por

adelantado. Esta cantidad es dinámica, cambia según son los detalles de

la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las características de la

máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina

(menor aceleración), mayor número de bloques look-ahead serán

necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en look-ahead que

el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde

potencia de cálculo en el CNC ya que esta realizando operaciones

innecesarias. Un número típico en alta velocidad es por encima de 100

bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000

bloques.

Control de aceleraciones

Tradicionalmente, cuando los CNCs generan las trayectorias, se solicitan

movimientos en los cuales la aceleración es constante hasta que se

alcance la velocidad establecida (rampa de velocidad). Al trabajar de este

modo normalmente no se tiene en cuenta el valor de la derivada de

aceleración (jerk). El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes



cargas para la mecánica de la máquina herramienta y provoca

vibraciones en los ejes.

Muchos controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk,

lo que hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que

tenga forma trapezoidal, mejorando notablemente el comportamiento

de la máquina.

En estrecha relación con la prestación look-ahead, se logran todavía

mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la

curva trapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una

función sen2.

Fig. 5 Las imágenes muestran la evolución de la velocidad, aceleración

y jerk para el caso de aceleración constante (limite jerk) y control

avanzado.

Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble

beneficio: por un lado se reducen los esfuerzos a los que se ve sometida

la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de

vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar

el valor de la velocidad y reducir el error.

Capacidad de almacenamiento. Ethernet.

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM

para el mecanizado de piezas en 3D, ocupan varios megabytes de

memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor

bajo. Estos programas pueden en muchos casos sobrepasar la capacidad

de almacenamiento que se dispone en los CNCs. La solución tradicional a

este problema ha sido la de incorporar un DNC (Direct Numerical

Control), lo cual consiste en equipar el CNC con una línea serie a través

de la cual un ordenador va enviando los datos al CNC, el cual los va

almacenando en un buffer y los va ejecutando de manera continua.

El problema que aparece con el DNC es la baja velocidad de transmisión

de datos que permite la línea serie, típicamente 9.600 baudios. Con las

prestaciones look-ahead incorporadas a los controles de alta velocidad,



esta velocidad de transmisión es muy baja y puede ocurrir que el

mecanizado se deba de detener a la espera de nuevos datos.

Las nuevas generaciones de controles permiten la instalación de tarjetas

de red, típicamente Ethernet, que permiten velocidades de transmisión

de varios megabaudios (10 ó incluso 100), 1000 veces más rápido que el

DNC.

Por tanto, la conexión directa del CNC a red elimina los cuellos de botella

en la transmisión de datos.

Por otro lado, los actuales CNCs están, cada vez más, basados en

arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duros con capacidades

de almacenamiento de gigabytes, por lo que el problema del espacio ya

no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las

ventajas añadidas que supone una conexión de este tipo en cuanto a la

transmisión y utilización de cualquier tipo de información.

Interpolación polinómica. NURBS

El hecho de tener que representar trayectorias curvadas como una serie

de segmentos rectos siempre ha sido una limitación en contorneados 3D.

Es intrínsecamente impreciso, convierte en faceteado lo que debería de

ser liso, crea programas monstruosamente largos, y obliga a buscar un

compromiso tolerancia-velocidad debido al elevado número de datos

que el programa tiene que ejecutar.

Una solución a este problema es el uso de splines o plantillas, que

consisten en unir los puntos por medio de unas funciones polinómicas

especiales. La experiencia muestra que un bloque definido por

un spline puede sustituir entre 5 y 10 bloques lineales sin sacrificar

precisión.

Los splines conocidos como NURBS son especialmente interesantes y se

empiezan a ver numerosas aplicaciones y productos comerciales

basados en ellos.

El acrónimo NURBS significa Non-Uniform Rational B Spline. Las

entidades básicas utilizadas en sistemas de CAD de 2D consisten en

segmentos, círculos y arcos, los cuales sirven para definir formas



relativamente simples. Cuando se trata de definir curvas complejas o

formas libres se utilizan varias representaciones matemáticas que

permiten a los diseñadores crear las curvas a su gusto.

Los splines o plantillas simples son los equivalentes CAD de las plantillas

que los delineantes han venido utilizando durante años. La curva esta

definida por una serie secuencial de puntos de control, conectados

mediante curvas suavizadas que intersectan con dichos puntos.

Los B-Splines son ligeramente diferentes. Están definidos por puntos

finales y puntos de control que no intersectan necesariamente con la

curva, sino que actúan un poco como la gravedad, empujando la curva

en la dirección del punto.

Los Non-Uniform Rational B Splines son de nivel matemático más

elevado. Rational significa que se puede especificar el peso del empuje

de cada uno de los puntos de control. Y Non-Uniform siginifica que el

vector de knot (nudos o puntos) – que indica que porción de la curva se

ve afectada por un determinado punto de control – no es

necesariamente uniforme. El resultado de todo esto es que se pueden

utilizar más factores de control en la fórmula, de manera se pueden

expresar con una sola curva un número considerablemente mayor de

formas complejas.

Fig. 6.- Ejemplos de curvas NURBS. Obsérvese que de la curva del centro

a la de la derecha únicamente se ha variado un punto de control

Hay varias ventajas que proporcionan los NURBS con respecto a otras

representaciones. Primero, son fórmulas basadas matemáticamente que

definen la curva completa, y segundo, como cada formula de mayor

grado tiene más variables con las cuales representar la curva, tienen la

capacidad matemática de expresar exactamente cualquier forma creada

con una clase inferior. Estas son las razones que han convertido a los

NURBS en los padres de todas las definiciones de curvas y superficies en

los sistemas de CAD/CAM.

Seria por tanto deseable que el CNC pudiese importar directamente las



curvas definidas en el CAM en la forma de NURBS, sin que tenga que

haber aproximación geométrica alguna. Como cualquier forma libre

puede ser descrita con una única curva, la talla de los programas se vería

drásticamente reducida y las limitaciones de proceso de bloque serian

irrelevantes.

Para ello, algunos CNCs disponen de un interpolador NURBS, pero hay

limitaciones prácticas en el grado de los NURBS que se pueden utilizar. El

trabajo con programas e interpoladores NURBS reduce la talla física de

los programas entre un 30 y un 50%, elimina los tiempos de espera del

CNC, mejora el comportamiento en las discontinuidades de la trayectoria

y, gracias a una más rápida interpolación con la trayectoria real, el

mecanizado es más preciso, obteniéndose importantes mejoras en el

acabado superficial.

No todos los fabricantes de CNC utilizan una interpolación polinómica del

tipo NURBS para mejorar diferentes aspectos del mecanizado, y no todas

las representaciones NURBS son únicas. Existe ya un debate de cual es el

mejor interpolador polinómico.

Sin embargo, muchos programas de CAM ofrecen la posibilidad de

definir las trayectorias de salida en los formatos NURBS utilizados por los

principales fabricantes de CNC. También existen posprocesadores que

transforman curvas definidas punto a punto en curvas NURBS.

La interpolación polinómica es una nueva tecnología con aspectos en los

que es necesario seguir trabajando, especialmente por los

desarrolladores de paquetes CAD/CAM, CNCs y constructores de

máquina herramienta, aunque aparece ya como una herramienta con

futuro en el contorneado. Hoy por hoy, permite obtener mejoras en el

tiempo de mecanizado y en el acabado superficial.

Sin embargo, la utilización de CNCs de última generación actuales, así

como algunas otras consideraciones, diluyen algunas de las ventajas de

los NURBS y de la interpolación polinómica:

Una trayectoria de herramienta representada en NURBS a partir de la

intersección de un plano con una superficie NURBS (acción típica del



CAM) no es exacta, siendo necesario utilizar un factor de tolerancia

similar a la desviación cordal, lo que causa también una pérdida de

precisión.

El elevado número de bloques que tiene que ejecutar un CNC en una

representación punto a punto no supone un problema para los CNCs de

ultima generación, ya que la velocidad de proceso de bloque se ha

incrementado de modo considerable (del orden de 10 – 20 ms a 1 ms)

La reducción de la talla de los programas pieza representados en NURBS

no presenta una ventaja considerable hoy por hoy, debido a la gran

capacidad de almacenamiento de los actuales CNCs, así como por la

posibilidad de disponer de conexiones de red de alta capacidad de

transmisión.

Las representaciones en NURBS de líneas y superficies no son fáciles de

interpretar, lo que hace prácticamente imposible la edición de programas

pieza directamente en máquina por parte del operario.

En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a

desarrollarse y que ha aportado y puede seguir aportando una serie de

ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de los

CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a

velocidades de avance y/o aceleraciones no están causadas por la

capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del sistema

electromecánico.

Controles abiertos

Aunque no tienen una relación directa con la alta velocidad, los

fabricantes de CNCs actuales están apostando cada vez más por los

denominados controles abiertos, los cuales básicamente aprovechan la

arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias,

poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.

La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos

sistemas abre enormemente las posibilidades de los CNCs actuales. De

esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado para

el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por



tanto, la integración con periféricos, adquisición de datos, etc. se

solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros fabricantes,

diferentes de los fabricantes de CNCs.

Los desarrolladores disfrutan de un entorno más amigable, con unas

herramientas de desarrollo más potentes y con una oferta enorme de

paquetes comerciales. Todo ello facilita considerablemente el trabajo,

permitiendo afrontar aplicaciones mucho más complejas, difícilmente

abordables con los CNC tradicionales en los que desarrollos están

limitados a la utilización de herramientas propias de los fabricantes de

CNCs. La aplicación de las nuevas tecnologías de informática avanzada

(sistemas expertos, lógica difusa, redes neuronales), multimedia y de

telecomunicaciones puede incorporar un gran número de prestaciones

potenciales a un coste relativamente bajo.

Es posible integrar en el CNC servicios hasta hace poco tiempo

impensables o muy difíciles de abordar. La variedad es muy amplia,

desde la implantación de nuevas funcionalidades basadas en estándares,

pasando por la incorporación de ayudas que faciliten la implantación de

nuevos conceptos o filosofías en las empresas, hasta la integración de

servicios más convencionales, como pueden ser la asistencia al

diagnóstico, el mantenimiento predictivo, los servicios de gestión remota,

algoritmos avanzados de generación de trayectorias, de mecanizado de

piezas complejas o de compensación por deformaciones térmicas.

Otras prestaciones

Aunque no son exclusivamente necesarias para el trabajo a alta

velocidad, las grandes inversiones que requieren estos sistemas hace

que sea en la práctica necesario que cualquier equipo de control CNC

disponga de una serie de prestaciones adicionales.

* Compensaciones: El CNC debería permitir de disponer de una serie de

compensaciones que permitan conseguir altas precisiones. Entre ellas

figuran:

* Compensación de los errores térmicos inducidos por la alta velocidad y

generación de calor en los cabezales y ejes



* Compensación de los errores de fricción en el cambio de cuadrante

* Compensación de los errores de husillo y del sistema de medida

* Transformaciones de 5 ejes: Cuando se utilizan herramientas cilíndricas

o toroidales en máquinas de 5 ejes es necesario orientar la herramienta

para obtener las máximas prestaciones de corte asegurando la calidad.

El control debe de permitir trabajar en coordenadas de pieza en lugar de

en coordenadas de máquina, encargándose de realizar las

transformaciones oportunas, así como correcciones de la geometría de la

herramienta.

3. CONCLUSIÓN

La alta velocidad es un novedoso método de mecanizado que trata de

obtener importantes reducciones de tiempo junto con mejores acabados

superficiales de manera eficaz. La posibilidad de aplicar esta técnica

involucra a diversas áreas tecnológicas, siendo una de ellas la

relacionada con el control de las máquinas. Los controles numéricos para

alta velocidad han ido adaptando soluciones originales que permiten

explotar a fondo las posibilidades de esta nueva técnica. Aparecen como

una apuesta fuerte para dar respuesta a las necesidades de cierto tipo de

aplicaciones, especialmente para los sectores aeronáutico, automoción y

fabricación de moldes y troqueles.

Es de destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rápidos de

proceso de bloque y de ciclo de servo que, junto con unos

accionamientos adecuados, permitan trabajar con elevadas

aceleraciones y velocidades de los ejes. También hay que subrayar la

necesidad de disponer de algoritmos de Look-Ahead para obtener altas

velocidades de ejecución de los programas de mecanizado.

Los fabricantes de CNCs se están decantando por arquitecturas

multiprocesador con la parte de interface con el usuario basada en PC,

utilizando Windows como sistema operativo, facilitando así su apertura.

El gran avance experimentado en estos últimos años por los CNCs ha

hecho que éstos dejaran de ser el elemento limitador en la velocidad de

los procesos de mecanizado.



El control numérico, los sistemas de accionamiento y los de medida en

máquinas para el mecanizado de alta velocidad

En este artículo se profundizará en el estudio de los controles numéricos

y los requerimientos de los mismos para aplicaciones de alta velocidad.

Sabemos que los datos CAM han de ser producidos de una forma

especial para poder conseguir los resultados esperados de la

mecanización de alta velocidad. Ahora se verá como se pueden

transmitir estos datos al control numérico, como esté los ha de procesar

para conseguir las velocidades y precisiones deseadas, y finalmente,

como los servomotores han de accionar los ejes, y los sistemas de

medida transmitir la información necesaria para cerrar el lazo de control.


Almoril

1. Transmisión de datos del CAM al control numérico

Al capítulo dedicado a la generación de datos al sistema CAM se ha visto

que los requerimientos de precisión de la trayectoria para obtener

buenas superficies de acabado nos obliga a producir una cantidad de

datos CAM muy superiores a los habituales.

El problema del tamaño de los archivos CNC (control numérico) que se

generan en el CAM existe desde que el CAD/CAM comenzó a implantarse

en el campo de las formas de mecanización 3D ahora hace unos años.

Hoy en día, con la mecanización de alta velocidad, este tamaño todavía

se ha multiplicado.

2.1. Sistemas DNC

Los sistemas CNC clásicos, de los cuales se venden todavía en un tanto

por ciento muy elevado en el mundo, no disponen de comunicaciones

eficientes para transmitir la gran cantidad de dados generados al CAM ni

tampoco memoria suficiente para almacenarlos.

Uno de los sistemas más vendido y económico del mundo, el Fanuc 0M,

dispone como máximo 256 kB de memoria y la transmisión de datos

desde un computador externo al CNC se hace mediante comunicación



serie por el puerto RS-232 a velocidades máximas de 19200 bauds

(bits/segundos). No sólo Fanuc comercializa este tipo de control, otros

fabricantes tienen modelos competencia que desarrollan características

similares.

Supongamos un programa de 12 MB de memoria que hemos de ejecutar

a una máquina con el sistema Fanuc-0M. Como la memoria del CNC no

es suficiente hacemos servir el disco duro de un computador externo

como almacenamiento de los datos. Los datos se transmiten entonces

con la RS-232 a 19200 bauds. Haciendo un simple cálculo vemos que

para transmitir el programa necesitamos:

Ecuación 1

Que es un tiempo claramente excesivo sólo para transmitir los datos a la

máquina. Es por esto que el CNC ejecuta los datos a medida que los va

recibiendo y una vez ejecutados los elimina dejando espacio en la

memoria para nuevos datos. El CNC funciona entonces como un simple

ejecutor de bloques. Esto es el que se denomina comunicación DNC.

Este sistemas tiene muchos inconvenientes:

* Los datos transmitidos por la RS-232 pueden recibir interferencias con

la consecuente posible destrucción de la pieza en el caso de pérdida de

información. La posibilidad de interferencias aumenta con la distancia de

la línea de RS-232. Para no hacerla muy larga a menudo se instalan

computadores al lado de las máquinas, pero el ensuciado afecta su

fiabilidad.

* A menudo los requerimientos de avances en la mecanización de alta

velocidad pueden superar claramente el caudal de datos de la RS-232.

Siguiendo con el ejemplo anterior si el programa necesita unos avances

F=3000 mm/min y una distancia entre puntos d=0,1 mm, y suponiendo

que un bloque ó punto ocupa una memoria de Mbloc = 120b, la máquina

habría de recibir los datos a una frecuencia f de:

Por lo tanto se comprueba claramente que para una ecuación con



exigencias elevadas las frecuencias de transmisión de datos son

claramente insuficientes.

Esta claro entonces que estos sistemas de transmisión de datos son

inútiles para las exigencias de la mayor parte de las mecanizaciones de

hoy en día, las convencionales y las de alta velocidad.

A título personal nos sorprenden que todavía hoy en día estos sistemas

estén tan extendidos entre los productores de moldes y matrices, y que

todavía muchas empresas de comunicaciones ofrezcan sistemas de

gestión de la producción basados en estos sistemas arcaicos y lentos de

transmisión de datos.

2.2. Comunicaciones Ethernet y grandes almacenamientos de memoria

En contraposición a los sistemas DNC clásicos , los centros de

mecanización de alta velocidad han de instalar comunicaciones

informáticas rápidas y almacenamientos de los programas directamente

al Cnc de la máquina.

En este sentido casi todos los controles llamados de alta velocidad

integran un puerto de comunicación Ethernet con conexiones físicas RJ-

45 (y hasta ópticas) que permiten la comunicación entre el servidor del

programa y el CNC de al menos 10 MB/s. Las líneas modernas soportan

hasta 100MB/s pero muchas de las unidades de los CNC de las máquinas

soportan 10 MB/s. Esto se ha de tener en cuenta e instalar sistemas de

comunicaciones “dual-speed” por 10 y 100MB/s.

Los controles incorporan a ,as a más discos duros de cientos de MB o GB

que pueden sin problemas almacenar todo el programa entero. Estas

unidades de almacenamiento tienen acceso directo al CNC mediante un

bus de datos de 32 o 64 bits a frecuencias de unos cuantos cientos de

MHz.

Con estas propiedades la transmisión de los programas no suponen

ningún problema para los CNC independientemente de su volumen. El

objetivo será entonces procesar y ejecutar estos datos lo más

rápidamente posible, como veremos en el apartado 2.

A continuación se muestra un esquema de la solución planteada:



Fig. 1.- Esquema de comunicaciones Ethernet y almacenamientos en

disco duro.

2.3. Formato cartesiano y NURBS

En general el formato de los datos de salida del CAM al CNC es de ejes

cartesianos y básicamente consisten en interpolaciones lineales (G1/G0)

o interpolaciones circulares (G2/G3). Estos datos son los más utilizados

en programas producidos por los sistemas de CAM y son generalmente

utilizados por todos los sistemas de CNC.

Estos tipos de interpolaciones se han ajustado lineal o circularmente a la

geometría de las trayectorias programadas del sistema CAM. Si se quiere

obtener resultados con acabados superficiales de Ra <0,8 mm, y

precisiones de < 0,01 mm, se necesita un ajuste lineal de la trayectoria

con un error cordal de al menos 1 grado inferior . Esto es, con un error

máximo entre la curva teórica y la línea o curva circular real de menos de

0,001 mm. Por lo tanto una gran cantidad de datos que serán dificiles de

procesar por el control numérico.

Hace ya algunos años que se adopto otra solución para ajustar las

trayectorias llamadas NURBS.

El NURBS es un ajuste de trayectorias que utiliza B-splines no uniformes

en lugar de líneas o curvas circulares. Las siglas NURBS vienen del ingles “

Non- Uniformal Rational B-Splines”. Estas representan una ecuación

polinómica de grado superior y su representación gráfica es una curva

compleja . El formato de estos datos se muestra en la figura 1.

Fig. 2.- Formato de los datos NURBS

Donde:

G06.2 : Activación interpolación NURBS. Este termino es propio de cada

CNC y se ha de ajustar al post-procesador del CAM.

X,Y,Z : Puntos de control

R : Peso

K : Nodo



La interpolación NURBS tiene algunas ventajas respecto al sistema

coordenado.

* La definición de una trayectoria es generalmente más corta con

interpolaciones NURBS que con interpolaciones lineales o circulares. El

programa de CNC, por lo tanto también.

* La precisión de la pieza que queremos fabricar es mejor que utilizando

sistemas cartesianos que ocupen la misma memoria.

Esto es debido a que los sistemas de CAD utilizan B-splines para definir

las curvas complejas en su diseño y por lo tanto los datos que salen del

CAM no son aproximaciones de la geometría sino la geometría exacta. En

la figura 2 se muestra este echo:

Fig. 3.- Esquema de la interpolación NURBS entre el CAD, CAM y CNC

Para conseguir la misma precisión en los datos en formato cartesiano

tendríamos que definir en teoría infinitos puntos.

- El seguimiento de los ejes de la máquina es normalmente más suave

que con interpolaciones lineales, generalmente por lo tanto, mejor

acabado superficial.

Todas esta ventajas son verdad dependiendo de la geometría de las

trayectorias a ejecutar. En general:

* Si las trayectorias son muy lineales esta claro que la interpolación

NURBS no mejora las características de la lineal.

* Si las trayectorias son muy enrevesadas (muchos cambios de dirección

en muy poco espacio) La interpolación NURBS puede llegar a generar

archivos incluso más grandes que los archivos de interpolación lineal y

circular.

* La interpolación NURBS es más favorable cuanto más suave y continua

es la geometría compleja de 3D.

2. Procesamiento de datos en el CNC

Una vez los datos están ya almacenados en el control numérico y se

quiere ejecutar el programa, el control comienza a procesar los datos.

El proceso de datos en el CNC incluye la traducción de los bloques del



programa al lenguaje máquina y la ejecución de estos datos por el

servosistema CNC amplificador-motor.

La rapidez con el que un sistema pueda procesar los datos es una buena

medida para valorar la adecuación del mismo para la mecanización a alta

velocidad.

3.4. Tiempo de procesado

El tiempo de procesado es entonces el tiempo en que un sistema CNC-

servomotor puede ejecutar un orden en formato de programación de

CNC.

Para valorar si un sistema CNC-servomotor es suficientemente rápido

para ejecutar un cierto trabajo se puede calcular el tiempo de procesado

que se necesita para las condiciones de avance del programa mediante:

Ecuación 3

Donde: d es la distancia media entre un punto y punto del programa

(mm)

F es el avance de programación (mm/min)

Tprocesado se mide en ms

Entonces, siguiendo el ejemplo del apartado 1.1:

Ecuación 4

Que es un valor muy exigente para la mayoría de los sistemas CNC-

servomotor del mercado. El valor que típicamente se anuncia en estos es

pero la cantidad de bloques por segundo (BPS) que se puede ejecutar, o

sea la frecuencia derivada del Tprocesado . Entonces:

Ecuación 5

Cuando se intenta comparar diferentes sistemas del mercado se ha de

asegurar que el fabricante del CNC nos esta diciendo el tiempo de

procesado total del bloque y no sólo el tiempo para traducir los bloques

a lenguaje máquina antes de transmitirlos al servomotor. Por desgracia

esto se hace a menudo por los fabricantes de CNC que no tienen



integrada la fabricación de servomotores, y anuncias valores del orden

de 1000 a 2500 bloques/s cuando los sistemas más avanzados CNC-

servomotor como el Fanuc 16iM tiene ciclos de 1,5 ms (ó sea 666

bloques/s).

3.5. Control de la trayectoria

Una vez procesados los datos en lenguaje ISO procedentes del sistema

CAM, y después de ejecutar los algoritmos de interpolación al CNC

(eventualmente, circulares ó NURBS) se obtienen comandos de posición

para cada uno de los ejes. El servosistema de control de posición actúa

como se indica en la figura 4 del esquema siguiente:

Fig. 4.- Lazo de control de un sistema CNC-servomotor analógico

El mando de posición procesado al CNC se transforma en mando de

velocidad (curvas de velocidad) que se transmiten a la etapa de control

del amplificador del servomotor. Esta se calcula con algoritmos los

comandos de tensión e intensidad que controla la parte de potencia del

amplificador que a la vez comanda el motor.

En este servosistema actúan algunos lazos. El mismo motor esta

servocontrolado por el amplificador mediante la corrientes (“current

loop”). El sistema de captación de la posición cierra el control de

velocidad (“speed loop”) con el amplificador mediante un derivador (los

datos son de posición y por lo tanto se han de derivar para encontrar los

datos de velocidad) y a la vez cierra el control de posición con el CNC

(“positioning loop”).

3.6.1. Error de seguimiento

El error entre la posición comandada y la posición real de la máquina se

denomina error de seguimiento y es fundamental a la hora de evaluar las

aptitudes de un sistema para controlar una máquina de alta velocidad.

El error de seguimiento es el mejor indicativo de la precisión dinámica de

un centro de mecanización. Tan importante es seguir una trayectoria con

la velocidad programada como hacerlo de forma precisa.

Teóricamente precisión del sistema esta determinada en parte por el



tiempo de procesado en bloque. Si excluimos el tiempo de conversión de

los datos ISO en datos de comando de posición, y se denomina este

tiempo de ejecución (Tejecución (ms)) el error de seguimiento

(eseguimiento (mm)) del sistema se determina según:

Ecuación 6

Siguiendo con el ejemplo anterior y suponiendo que se trata de un Fanuc

16 iM donde el Tejecución » 1,5 ms.

Ecuación 7

Este valor es como ya se ha dicho teórico porqué no tiene en cuenta la

capacidad de la máquina para responder a estos comandos de par y

velocidad de los motores.

3.6.2. Ganancias del sistema CNC-servomotor

A cada uno de los lazos de realimentación del sistema y después de

calcular el error entre el valor teórico y el real, los algoritmos de cálculo

aplican unas ganancias de los comandos o señales para intentar

minimizar el error de seguimiento. El estudio completo de estas

ganancias no es objetivo de este trabajo pero hablaremos de la ganancia

G global del sistema.

La ganancia del sistema CNC-servomotor define la respuesta del eje del

centro de mecanización. Si aumenta la ganancia global G se reduce el

error de seguimiento del sistema y por lo tanto mejoran la precisión

dinámica de la máquina.

Si la cadena dinámica del accionamiento del eje del servomotor

(acoplamiento, tornillo a bolas, hembra y carro) no es suficientemente

rígida y el valor de G se aumenta, el servosistema puede llegar a acoplar

a la frecuencia natural del sistema mecánico produciendo vibraciones de

inestabilidad. La ganancia con el que se puede accionar el servosistema

esta por lo tanto limitado por la mecánica de la máquina y el error

dinámico que podemos conseguir con un determinado sistema de CNC-

sevomotores está determinado por la rigidez de este sistema mecánico.



En el capítulo 8 se estudiara con más profundidad la rigidez del elemento

del sistema mecánico del accionamiento.

De toda manera los servosistemas utilizan elementos de otros elementos

de control para poder conseguir sistemas con un precisión como pide la

mecanización de alta velocidad. Estos se explican a continuación.

3.6.3. Filtros

Los filtros son operadores matemáticos que se aplican a menudo a

señales de para (corriente) y que actúan como a pasa-bajas. Limitan por

tanto la amplitud de las frecuencias más altas retardando así el efecto de

acoplamiento con la frecuéncia natural del sistema mecánico.

3.6.4. “Look ahead” y “feed-forward”

Estos sistemas son algoritmos que analizan la geometría de la trayectoria

de un nombre determinado de bloques por delante del que se esta

ejecutando (“look-ahead”) y prevén los cambios de avance de los ejes

(“feed-forward”).

Estos actúan paralelos a la cadena normal de control y modifican las

ganancias de posición y velocidad por tal de ejecutar una nueva

trayectoria de sea más favorable para la dinámica de los ejes. Haciendo

un símil con las competiciones de fórmula-1, los pilotos (control) ven el

trazado de la calzada (“look-ahead”) y llevan los monoplazas (máquina)

por trayectorias diferentes a las estrictamente medias y paralelas a los

límites de la calzada (“feed-forward”) para poder acelerar y desacelerar

con menos intensidad y así subir la velocidad media del recorrido.

Se muestra en la figura 5 el diagrama de bloques de un servosistema con

estos tipos de algoritmos.

Fig. 5.- Diagrama de los bloques del servosistema de Fanuc 16iM

3.6.5. Límites de error de la trayectoria

Al símil automovilístico existen límites para la nueva trayectoria (la

calzada). A los servosistemas más avanzados también existen estos

límites con la ventaja de que son ajustables a las necesidades de la

mecanización.



Si en cierta mecanización se necesitan los avances de corte más altos

para reducir el tiempo, se pueden aumentar los límites perdiendo

precisión. Si en cambio nos interesa la precisión, se estrechan los límites

haciendo la máquina más lenta. Estos límites de trayectoria se controlan

normalmente mediante funciones auxiliares M para poder varias el

modo dependiendo de la operación a realizar en cada caso.

En la actualidad existen ya unos cuantos sistemas (Siemens 840D, Fanuc

16iM, etc...) que utilizan estos sistemas donde se pueden escoger límites

de entre ±0,002 mm por alta precisión y ±0,02 mm por alta velocidad.

La utilización de los algoritmos de “look-ahead” y “feed-forward” han

posibilitado el desarrollo de la tecnología de alta velocidad como la

entendemos actualmente. Siguiendo con nuestro ejemplo si con una

máquina herramienta con el sistema Fanuc-16iM se quiere describir un

círculo de 100 mm de diámetro a un avance F = 18.000 mm/min, error de

seguimiento habría de ser de:

Ecuación 8

Cuando la realidad con los sistemas de limitación del error de trayectoria

se llegan a producir este círculo a 18.000 mm/min de avance exacto con

errores máximos de 0,003 mm!! Ver figura 6.

Fig. 6.- Error de circularidad en 100 mm de diámetro a 18 m/min con el

control Fanuc 16iM

Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad



1. INTRODUCCIÓN

Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad

ha llegado a ser una tecnología extendida en el sector industrial, las

empresas que desarrollan software han pretendido “no perderse el

carro” de la innovación, colocando el sello “Software para el mecanizado



de Alta Velocidad” en sus productos.

Esta campaña de marketing ha supuesto el desconcierto entre los

usuarios, primero por conocer si su paquete de CAD/CAM está o estará a

la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en sus

empresas un software de alto nivel y les es difícil “despejar el camino”.

A continuación describimos las diferentes estrategias de corte que se

emplean habitualmente en las operaciones de mecanizado a alta

velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema de

CAD/CAM que quiera competir en el área del mecanizado de alta

velocidad.

2. OPERACIÓN DE DESBASTE

RasterEsta trayectoria se genera a partir de un ángulo dado en XY ,

manteniendo un con paso lateral ae y un paso vertical ae. El software

debiera incluir por defecto diferentes opciones para adaptarse al

mecanizado de alta velocidad, como son radios en los cambios de

dirección, entradas en espiral, etc... | |

Trocoides o Epicicloides:Pocos paquetes incorporan este tipo de

estrategia avanzada. La novedad de esta forma de trabajo es que se

consigue evacuar grandes volúmenes de material con bajos niveles de

consumo de potencia del cabeza, caso que es muy frecuente en los

centros de mecanizado de alta velocidad. | |

Perfilado u OffsetConsiste en obtener trayectorias siguiendo el contorno

de la geometría. De la misma manera que la trayectoria Raster, el

software debiera incluir por defecto diferentes opciones para adaptarse

al mecanizado de alta velocidad como son radios en los cambios de

dirección, entradas en espiral, etc... | |

Entradas en ZDebe de incorporar diferentes formas de entrar la

herramienta sobre la pieza: taladro, rampa o espiral, ésta última es la

más recomendable para salvaguardar la integridad de la herramienta. |

|

ArcosEl software debiera generar automáticamente radios o arcos para

evitar paradas bruscas ante un cambio de trayectoria. | |



Cambios de Dirección. Es necesario tener un control total de la

trayectoria programada, el software nos debe permitir en todo momento

cambiar la dirección de mecanizado.Edición de las sendas de

mecanizado.En muchos de los casos es necesario modificar la senda de

mecanizado obtenida de forma automática para hacerla coincidir con

zonas concretas de la geometría, el paquete de CAD/CAM debe permitir

editar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...Minimizar los

movimientos de trabajo con el diámetro de la herramienta.El software

nos debiera proponer unas trayectorias de mecanizado evitando que la

herramienta mecanice con todo su diámetro. | Mecanizado de restosEl

paquete de CAD/CAM debe reconocer de forma automática zonas que no

ha mecanizado una herramienta anterior. |

3. OPERACIONES DE ACABADO

En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas

trayectorias por lo que el software debe ser muy flexible.

| |

ZIG-ZAG o RasterEstrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAM

incorpora, la senda de mecanizado se proyecta con un ángulo

programado. | Planos en ZLa senda de mecanizado contornea la

geometría con pasos verticales constantes. |

EspiralSe proyecta la forma de una espiral sobre la pieza | RadialEl

software proyecta radios sobre la geometría con una separación que se

introduce por el usuario |

OffsetEn esta estrategia se mantiene constante el paso lateral

proyectado sobre la superficie para lo cual, realiza una reducción del

contorno sobre toda la superficie de la pieza | Mecanizado por zonasEl

software debe dar la posibilidad de dividir la pieza por zonas y así,

mecanizar cada zona con la estrategia que más convenga |

LímitesEl paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crear límites sobre

las superficies con objeto de crear estrategias por zonas.BitangenciasEl

software debe incorporar la posibilidad de seleccionar zonas de unión de

superficies con radios de curvatura pequeños | |



4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO

El software debe incorporar la posibilidad de simular las estrategias de

mecanizado. A pesar que existen software específicos para la simulación

de las trayectorias, somos de la opinión que esta opción debe estar

incorporada como una herramienta más dentro del propio programa de

CAD/CAM

Eberhard Abele "El futuro del CAD/CAM para MAV ya está listo para ser

aplicado hoy"

El mecanizado de alta velocidad sigue presentando áreas importantes de

investigación, con el fin de seguir incrementando la velocidad y precisión,

disminuyendo a su vez el coste de las máquinas. El instituto alemán

Institut für Produktionsmanagement, Technologie und

Werkzeugmaschinen (Instituto de Gestión de la Producción, Tecnología y

Máquina-Herramienta), perteneciente a la Universidad Tecnológica de

Darmstadt, está considerado como el centro de referencia europeo en

este ámbito. Recientemente se ha producido un cambio en la dirección.

Eberhard Abele, de amplia experiencia industrial (como ha sido el caso

de todos los directores desde hace más de 100 años) ha sustituido a

Herbert Schulz, que ha ocupado su cargo durante muchos años.

Eberhard Abele trabajó durante dos años en las instalaciones

barcelonesas de Robert Bosch España.

Ferran Puig Vilar

Usted recibió recientemente el cargo sucediendo a Herbert Schulz,

actualmente miembro emérito del Instituto y persona de reconocido

prestigio en mecanizado de alta velocidad. ¿Cómo encontró el instituto y

cuáles van a ser sus principales objetivos?

Como introducción podemos decir que este instituto tiene una larga

historia, con una trayectoria de más de 100 años. Todos sus directores

han procedido de la industria y tienen experiencia en la gestión y la

producción industrial; también éste es mi caso. He trabajado durante



varios años en la industria en el desarrollo de nuevas tecnologías en las

áreas de producción, fui responsable durante muchos años de proyectos

en el campo de la automatización y he estado en varios países, en

España también en Francia. Creo que puedo aportar al instituto mi

experiencia internacional.

Por otra parte, uno de los aspectos más significativos del PTW es que el

60% de los proyectos proceden de la industria, mientras que el 40%

restante goza de una doble financiación industria-administración. Así

pues, todos los proyectos tienen un componente industrial.

En el campo de la máquina-herramienta hemos analizado los avances

realizados en los proyectos en marcha y evaluado los campos en que

creemos que podemos trabajar mejor. Puesto que no nos es posible

abarcarlos todos, nuestros principales objetivos se concretan en áreas

específicas que no han sido trabajadas en profundidad en otras partes.

No queremos abarcar muchas, sino trabajar en profundidad en las

elegidas.

Con respecto a la optimización de las máquinas para el mecanizado de

alta velocidad, la primera pregunta que nos planteamos es cuál es el tipo

de accionamiento a emplear y cómo combinarlo con la máquina con el

fin de obtener de él mejores aceleraciones. Nos preguntamos también

sobre cuáles deben ser las técnicas utilizadas en el portaherramientas

para lograr una alta velocidad de corte. Sabemos que actualmente el

portaherramientas y las herramientas son dos limitaciones importantes,

y por tanto serán estos componentes los que nos darán a conocer el

nivel de nuestros progresos. El siguiente punto es, por supuesto,

conseguir mejoras en la cadena de proceso CAD/CAM. Los sistemas CAM

hoy disponibles no están todavía listos para mecanizado de alta

velocidad.

¿Cuáles han sido los avances más importantes de los últimos años?

Si examinamos los progresos realizados en los últimos 10 años

encontramos que hay muchas empresas que han realizado notables

aportaciones en lo referente a la productividad de las máquinas,



habiéndose multiplicado por un factor 3 desde sus inicios. No se

consigue cada año el mismo nivel de progreso, pero tenemos muchas

esperanzas en fuertes avances futuros relativos a herramientas con

nuevos recubrimientos, portaherramientas y sistemas de

accionamientos. Durante los próximos 5 a 10 años pensamos que es

posible reducir el mecanizado de piezas por un factor 2, especialmente

en aplicaciones para moldes y matrices.

El PTW organiza anualmente los Premios Europeos a la Alta Velocidad

(HAI-SPID). En esta iniciativa las organizaciones concursantes deben

conseguir mejoras en el mecanizado de un molde tipo. ¿Qué avances se

han logrado?

En la última convocatoria este premio recayó en una empresa austriaca.

Es muy interesante porque, cuando examinamos las soluciones

presentadas en las sucesivas ediciones, encontramos una gran diferencia

entre ellas, siendo así que la diferencia entre los primeros y los segundos

era casi de un 40 o 50% en tiempo de mecanizado. Esto nos muestra

claramente que, al optimizar las estrategias de mecanizado, las

herramientas, el portaherramientas y la propia máquina, existe un gran

potencial de progreso actuando sobre la disposición racional de los

distintos elementos.

¿Cuáles son las características del molde de trabajo?

Hemos trabajado con algunas empresas y organizaciones en la definición

de un molde que contiene elementos característicos de forma que

podamos medir la calidad obtenida: rugosidad, tiempo de acabado... El

molde contiene conos, cubos y otros elementos geométricos de distintos

tamaños.

El CAD/CAM para MAV permitirá el año que viene un fuerte impulso en la

productividad. Esto es así debido a los logros en estandarización

Usted mencionó antes el software, el portaherramientas, la máquina en

sí misma como líneas de su trabajo. ¿Cuáles son las tecnologías

emergentes que permitirán avances? ¿Cuál es la innovación concreta en

estas tecnologías?



El futuro del CAD/CAM ya está listo para ser aplicado hoy. El año que

viene permitirá un fuerte impulso en la productividad. Esto es así debido

a los logros en estandarización de muchos de los programas de

mecanizado, de forma que ya han sido optimizados en sus algoritmos y

en su ejecución. Estos avances están ya operativos en algunas empresas

líderes para piezas geométricas, pero en los próximos años habrán

podido ser introducidos en los talleres de moldes y matrices.

Los portaherramientas deberían aumentar la velocidad de rotación en

aplicaciones de mecanizado de piezas pequeñas. En cuanto a las

herramientas hay que prestar especial atención a los recubrimientos y a

su equilibrio. A partir de 20.000 rpm la herramienta debe estar muy bien

equilibrada para evitar la destrucción de la herramienta.

Nuevos recubrimientos, accionamientos y portaherramientas

conducirán, durante los próximos 5 o 10 años, a reducciones en el

tiempo de mecanizado por un factor 2

¿Cuál es su opinión acerca de la tecnología de los motores de sujeción

magnética?

Existen cojinetes de aire que están siendo aplicados incluso en los

portaherramientas, y también los hay magnéticos. Sin embargo,

tecnologías como estas son bastante caras, por lo que estas soluciones

están reservadas a máquinas especiales. No estoy seguro que los

cojinetes magnéticos sean la solución correcta para el mercado de alta

velocidad en general. Por otra parte, si observamos todos los desarrollos

habidos desde los cojinetes clásicos (los cerámicos, por mencionar

algunos) podemos ver grandes avances logrados por varias empresas.

Existe un gran potencial de progreso actuando sobre la disposición

racional de los distintos elementos

¿Qué posibilidades nos ha dado el empleo de procesadores de alta

potencia? Hay controles numéricos que trabajan con procesadores de

128 bit, pero parece todavía existir un límite en la consecución de

estrategias que permitan reducir todavía más los tiempos y otras

características del mecanizado.



En los últimos años hemos utilizado los procesadores más potentes

existentes para aumentar ciclos de cálculo CAD/CAM. Esto ha sido útil

hasta cierto punto, al proponernos un límite. Pero no lo ha sido tanto

para incrementar los ciclos de interpolación, pues nos encontramos ante

una función hiperbólica.

En el futuro podríamos considerar más potencia en los procesadores si

compensamos algunos déficit actuales. Por ejemplo, en mecanizado de

moldes sabemos que se suele utilizar una operación de desbaste y una

operación de acabado. Teóricamente, podemos ahora saber cuál es el

material residual de la operación de desbaste, lo que permite una mejor

planificación.

Este cálculo del material residual no era posible hasta ahora porque la

potencia disponible de cómputo no lo permitía. Un punto importante

podría ser que estos aspectos se podrían integrar bien en el sistema CAM

o bien en el CNC.

¿Y acerca de las estrategias de mecanizado?

Las estrategias de mecanizado no están siendo soportadas, en su gran

mayoría, por el sistema CAM. Los avances residen en que, si se está

frente a un elemento geométrico - por ejemplo un cono - éste debe ser

considerado como tal, y no planificar el corte como si estuviera basado

en líneas rectas.

Sabemos que las máquinas de alta velocidad requieren de una

estructura muy diferente a la clásica, pero vemos que la mayoría de los

fabricantes siguen usando las estructuras tradicionales y las máquinas

siguen siendo pesadas. ¿Cuál cree que es el motivo? ¿Cuándo cree que se

entenderá que son necesarios otros tipos de estructuras para estas

máquinas?

Hemos desarrollado un mejor comportamiento en la amortiguación en

las máquinas, para lo cual utilizamos nuevos materiales tales como el

concret. Otro desarrollo es la construcción de la máquina en forma

termo-simétrica. Es decir, de forma que los motores lineales de las

máquinas de alta velocidad no influyan negativamente en esta nueva



estructura. Trabajamos también en la relación entre el alcance y el

volumen de trabajo. Considerando el coste de la máquina que no hay

muchas posibilidades de soluciones realmente nuevas aunque sean bien

conocidas, pues tienen que estar al alcance del consumidor.

La tecnología y el mercado de la electroerosión está siendo afectada por

el mecanizado de alta velocidad. ¿Cree que ésta puede seguir teniendo

un lugar en estas actividades o que finalmente desaparecerá, quedando

sólo para geometrías muy particulares? En este caso ¿cuándo podría

darse este fenómeno?

Es una pregunta muy interesante, que esta misma mañana estábamos

debatiendo. Las dos tecnologías han experimentado grandes avances

durante los últimos cinco años y estoy convencido de que, en el caso de

los moldes y las matrices, el mecanizado de alta velocidad no puede

sustituir totalmente a la electroerosión. Ambas tecnologías tienen puntos

fuertes y débiles, pero generalmente el mecanizado de alta velocidad ha

ganado un poco más de mercado sobre la electroerosión. Sin embargo,

todas estas empresas tendrán excelentes oportunidades de encontrar

soluciones en ambas tecnologías para lograr algo óptimo para sus

clientes.

¿ Cómo ve usted la transferencia de tecnología entre la universidad, los

centros tecnológicos y la industria? ¿Cómo funciona el modelo en

Alemania? ¿Piensa que es exportable?

Pienso que éste no es un modelo alemán, pienso que esto depende un

poco del instituto. En Alemania hay institutos que consideran preguntas

más criticas y hay otros institutos que consideran más las aplicaciones de

los resultados de estos nuevos proyectos en la industria.

MetalUnivers agradece especialmente a Javier Aranceta, Director Técnico

de Ideko, su colaboración en hacer posible esta entrevista

Problemática de las máquinas de arquitectura paralela





1. INTRODUCCIÓN

Las mejoras en el campo de la máquina-herramienta van encaminadas a

obtener la máxima libertad de movimientos, con una elevada rigidez y

con una mínima masa a desplazar. Es decir, conseguir unas altas

características dinámicas de máquina. La mejora de dichos aspectos

debe llevar, como resultado final, a una mayor velocidad de mecanizado

y a una mejor precisión y acabado, conduciendo a un aumento de la

productividad, tanto por el menor tiempo de mecanizado como por la

disminución de procesos de acabado.

La configuración de máquina convencional esta basada en una

estructura en serie (figura 1). Dicha estructura presenta tantos ejes como

grados de libertad dispuestos en serie y normalmente de acuerdo con

unos ejes cartesianos X, Y, Z además de unos ejes de rotación, si es

necesario. Este tipo de disposición no requiere un gran esfuerzo de

control ya que cada eje de la máquina controla un grado de libertad

cartesiano.

Frente a esa facilidad en el control, las máquinas con una configuración

en serie presentan la desventaja de que cada eje deba soportar carga en

todas las direcciones, y deba soportar y mover los ejes que van

montados sobre él. Esta característica conduce a una alta masa a mover

y por lo tanto a unas bajas características dinámicas de máquina. Esto se

hace especialmente patente en grandes máquinas.

2. CINEMÁTICA PARALELA

Una solución a este problema es la utilización de cinemática paralela que

ha dado lugar a las máquinas-herramienta de arquitectura paralela. En

este tipo de máquina cada eje une directamente la base de la máquina

con una plataforma móvil sobre la que va montado el cabezal, de ahí se

puede decir que los ejes están dispuestos de forma paralela (figura 2).

| |

Fig. 1.- Máquina-herramienta con arquitectura en serie | Fig. 2.- Máquina-

herramienta con arquitectura paralela clásica |



El alto coste, principalmente computacional, que requiere controlar las

longitudes de los distintos brazos de un mecanismo de estas

características hizo que su utilización no se extendiese - salvo en el caso

de aplicaciones donde dicho coste estuviese justificado, como es el caso

de los simuladores de vuelo.

Hoy en día dicho coste ha sufrido una espectacular reducción y están

apareciendo otras aplicaciones, especialmente en el mundo de la

máquina-herramienta. Las primeras de estas aplicaciones introdujeron el

concepto de “Hexápodo”, derivado del tipo de arquitectura paralela

utilizada; la base de la máquina se encuentra ligada al cabezal mediante

seis brazos, los cuales mediante la variación de su longitud consiguen la

orientación exigida en la herramienta (figura 2).

| |

| |

3. VENTAJAS E INCONVENIENTES

Las principales ventajas de la arquitectura paralela son las siguientes:

* Estructura mas simple

* Menor inercia

* Menor coste

Y sus principales inconvenientes se resumen en los siguientes puntos:

* Volumen de trabajo muy irregular con relación al volumen prismático

deseables

* Gran tamaño global de la máquina, en comparación con el volumen de

trabajo.

* Complejidad de control. Constante interpolación de 5 ejes y complejas

rutinas de control no lineal

* Dificultad de puesta a punto

* Dificultad de compensación de errores

Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (1ª parte)

En este artículo, correspondiente a un capitulo de la tesis doctoral del

autor sobre Mecanizado de Alta Velocidad, se explican las ventajas



tecnológicas, y el grado de aplicación de la mecanizado de alta velocidad

en diferentes campos de la producción metalúrgica: producción de

componentes de medio y alto volumen y producción de moldes y

matrices. También se presenta uno de los modelos de centro de

mecanizado que se utiliza en cada uno de estos campos de aplicación.

Juan Martín - Técnico Comercial

Juan Martín, S.L.

En este capitulo, aunque queramos dar una imagen general de la

industria del mecanizado, se pone más énfasis en el mecanizado de

moldes y matrices por ser, con mucho, el sector de más consumo de

mecanizado de alta velocidad en nuestro país.

1. MECANIZADO DE COMPONENTES

Por mecanizado de componentes se entiende la fabricación de piezas

finales para diferentes ámbitos industriales. De entre las múltiples

aplicaciones, el estudio sólo se basará en el campo del automóvil y en el

campo de bombas y compresores como ejemplo de la industria básica.

La única diferencia entre hablar de especificaciones automovilísticas y de

la industria básica es el volumen de producción. En la primera los

volúmenes se consideran elevados (> 500.000 piezas / año) mientras que

en la industria básica se habla de volúmenes medios (> 5.000 piezas /

año).

Evidentemente, estos números dependen de la dificultad del mecanizado

pero nos darán una idea de los requerimientos de automatización, de los

tipos de herramienta utilizada, de los tipos de fijaciones, etc...

La variabilidad de tamaños, materiales, volúmenes de producción,

precisiones, acabamientos superficiales, sobrantes de material, etc.. de

los componentes mecanizados en este campo es total. Se hace por tanto

imposible analizar todos los casos. Por este motivo basaremos el estudio

en piezas concretas representativas del sector.

2.1. Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras

En los últimos años el número de componentes de aluminio a mecanizar



ha aumentado de forma considerable.

En sector del automóvil cada vez son más los componentes que se

fabrican en aluminio, para reducir el peso total de los coches. Brazos de

suspensión, bombas de refrigeración, culatas, y un largo numero de

piezas están ya habitualmente hechos de aluminio.

Fig. 1.- Colector

Por otro lado, en el sector de los computadores los componentes de

aluminio se están sustituyendo por componentes de aleaciones de

magnesio. Estos materiales permiten fabricar los elementos más

delgados que en aluminio, con la misma rigidez. Son, por lo tanto,

adecuados para componentes donde el volumen juega un papel

importante como, por ejemplo, los chasis de ordenadores portátiles.

Fig. 2.- Chasis de ordenador

También en la industria básica se utiliza el aluminio cada vez con mayor

frecuencia. Los cuerpos de rotación de las bombas de vacío o las

estaciones de repetición de telefonía móvil, están fabricadas de este

material.

Figura 3.- Bomba de rotación o “scroll”

2.2. Componentes en producciones de alto volumen

Los componentes de aluminio en producciones de alto volumen están

prefabricados con moldes de inyección de aluminio. Tendrán

normalmente espesores de mecanizado muy pequeños (habitualmente <

2 mm) y por tanto los tiempos de mecanizado serán relativamente bajos.

La producción de un molde para estas piezas es fácilmente y se reduce el

tiempo de mecanizado, abaratando los costes de producción total.

En estas piezas se utilizan a menudo herramientas de PCD (diamante poli

-cristalino) para las operaciones de fresado porque, aunque el coste es

grande, la vida de la herramienta puede llegar en algunos casos a

superar la producción total del componente y por lo tanto el coste de



operación baja. Los acabados superficiales son excelentes y las

velocidades de corte pueden aumentar hasta 1500-2000 m/min. Así que

estas herramientas dejan de ser un consumible.

En general, en todas las aplicaciones de aluminio, las herramientas se

utilizan con emulsión refrigerante para evitar temperaturas que hagan el

aluminio pastoso y se enganche en las herramientas destruyendo el

recubrimiento. En especial en las operaciones de agujerear la

herramientas necesitan refrigeración por el interior del cabezal. Cuanto

más largo y más grande sea el agujero más presión del refrigerante a

través de la herramienta. Las máquinas trabajan habitualmente con 20-

30 bar pero algunas ofrecen opciones para trabajar hasta 70 bar.

Las trayectorias de mecanizado para los componentes prefabricados son

muy sencillas y normalmente se programan directamente al CNC de la

máquina. También en la máquina se optimizan profundidades y anchos

de pasada, avances y revoluciones para obtener los mejores tiempos con

costes de herramientas razonables.

El CNC necesita capacidad de seguimiento de las trayectorias a altos

avances, pero los programas a ejecutar no son densos y generalmente

solo de 2D. Incorporan por tanto algoritmos “ look-ahead” y “ feed-

forward” pero no se necesitan grandes almacenes de memoria ni

comunicaciones Ethernet.

Los accionamientos en cambio han de tener una muy buena respuesta:

las aceleraciones y velocidades de posicionamiento han de extremarse.

De echo esta es la aplicación ideal para los innovadores motores lineales.

Los husillos a bolas y acoplamientos deben estar preparados para un

trabajo continuo a máximas velocidades y aceleraciones, por lo tanto,

muy a menudo se refrigeran. Todo y esto se pueden dilatar en ciclos de

trabajo muy cortos y en cambio las tolerancias de las piezas (> 0,02 mm)

no requieren nada que no se pueda resolver con reglas lineales, aunque

los husillos presenten a menudo el extremo nada más soportado.

El cabezal no necesita mucha potencia pero si grandes velocidades y

aceleraciones. Los cambios de herramientas son constantes y en el



tiempo viruta-viruta la aceleración/ desaceleración del cabezal juega un

papel muy importante. Los materiales (aluminios y magnesios) requieren

velocidades de corte muy grandes y por lo tanto se han de escoger

cabezales con velocidades superiores a 24.000 rpm. Los rodamientos

pueden ser por tanto los mínimos para equipar interfases HSK-A63 (o sea

Ø interior = 55 mm), imprescindibles en estas aplicaciones a velocidades

elevadas.

Aunque no se genere mucha viruta, los sistemas de evacuación han de

ser eficientes para trabajar de forma continuada. El área de trabajo ha de

estar bien preparada para no acumular virutas que a lo largo del tiempo

puede ser fatal para algún sistema de la máquina. Los sistemas de

autolimpieza con emulsión son absolutamente necesarios.

Los controles térmicos se hacen críticos en los sistemas de

accionamientos lineales (husillos y bolas) y en el cabezal. Los sistemas de

evacuación de calor determinan la vida de estos elementos.

2.3. Componentes en producciones de volumen medio-bajo

Los componentes en producciones de volumen medio-bajo no se pueden

permitir, en principio, el coste de un molde de inyección. Así el

mecanizado de la pieza parte del bloque y genera todas las formas

necesarias para la composición del componente final.

Los requerimientos de la aplicación son muy parecidos a los

componentes de alto volumen. Solo se han de destacar:

* Las herramientas pueden no ser de PCD debido a su elevado coste.

Como además se han de mecanizar formas complejas la geometría de la

herramienta puede ser estándar.

* Los programas, aunque cortos y en 2D, se generan a menudo en el

CAM. Especialmente El mecanizado de cajeras y contorneados complejos.

En estos se han de aplicar claros conceptos de alta velocidad para

intentar mantener el esfuerzo sobre la herramienta constantemente.

* Algunas aplicaciones de la industria básica requieren tolerancias <

0,010 mm, como por ejemplo el componente de la bomba de rotación de

la figura 3. Las necesidades de altas aceleraciones y avances quedan



entonces en segundo plano. Los soportes del husillo a bolas requieren

fijo-fijo y el control térmico ha de ser mucho más preciso en todas las

fuentes de calor.

* Los cabezales necesitan mucha más potencia que las aplicaciones de

alto volumen debido a la cantidad de material a desarrollar. La velocidad

de rotación en cambio puede sacrificarse dependiendo de la pieza. A

menudo en estas piezas el ciclo de mecanizado ocupa más de un 75% del

tiempo al desbaste. Por lo tanto la primera prioridad es reducirlo.

* Los sistemas de evacuación de virutas han de soportar cuadales de

material de hasta 5 l/min en continuo. Son por lo tanto mucho más

exigentes que en las piezas de producción de alto volumen

2. CENTRO DE MECNIZADO PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA

BASICA

Se desea ahora validar las necesidades de las aplicaciones de medio-bajo

volumen con el estudio de un centro de mecanizado adecuado para

estas aplicaciones.

Se trata del centro de mecanizado horizontal Makino A 55e. Este centro

se ha aplicado con gran éxito, por ejemplo, en el mecanizado de

componentes rotativos de las bombas de vacío, que necesitan

productividades medias y donde las precisiones son muy exigentes

(figura 3).

Sus características fundamentales quedan reflejadas en la tabla 1.

También se muestra una imagen general de la máquina en la figura 4.

Fig. 4.- Centro de mecanizado Makino A55e

Fig. 5.- Estructura del centro de mecanizado en estudio

3.4. Estructura

La estructura de la máquina tiene características interesantes para El

mecanizado de volúmenes importantes de componentes de precisión.

* Toda la estructura está construida en fundición

* La configuración de los ejes para que la mesa (carga de los



componentes) quede sobre el eje Z. Así los ajustes de los ejes X y Y, que

en general necesitan mejores precisiones de interpolación que el eje Z,

son casi constantes y nada más dependen del peso de la herramienta.

* La máquina se soporta sólo sobre 3 puntos y no necesita cimentación.

La estructura se diseña para se autoportante: esto significa que no

necesita la masa de la cimentación para ser estable. Este hecho asegura

las precisiones a lo largo de los tiempos de operación y facilita el

rediseño de los layout de planta en caso de cambiar la producción a otro

tipo de componente.

* En estos tipos de diseño los carros de ejes Z e Y acostumbran a ser

bastantes ligeros pero la columna (carro del X) no. En esta máquina se ha

reducido el peso diseñando el soporte de la guía posterior, a una altura

superior al de la guía frontal. Así el momento de flexión que producen los

esfuerzos de mecanizado quedan compensados por la inclinación del

soporte (figura 5).

* Las guías son de rodadura y están permanentemente lubricadas. Con

avances de 85 m/min no hay otra posibilidad (figura 6).

Fig. 6.- Guías de rodadura

3.5. Sistemas de accionamiento

* Todos los husillos a bolas están refrigerados para poder evacuar el

calor generada en los avances y aceleraciones máximas de los ejes

(figura 6)

* El accionamiento del eje Z es doble. Así nos ayuda a soportar las cargas

de la mesa y encima nos deja libre la parte central de la estructura que se

aprovecha para montar el extractor de virutas.

* Los soportes de los husillos son fijo-fijo para mantener la máxima

rigidez y precisión, aunque las velocidades y aceleraciones sean tan

elevadas.

Fig. 7.- Gráficos de potencia y par del cabezal de 14.000 rpm.

3.6. Cabezal



Este centro de mecanizado puede incorporar cabezales con diferentes

velocidades de rotación dependiendo de las aplicaciones: 14.000 rpm,

para aplicaciones en componentes de acero y fundición, 20.000 para

aplicaciones en aluminio.

Fig. 8.- Refrigeración a través de la herramienta

En los dos casos se utilizan cabezales integrales con motores de doble

bobinado para dar más potencia a bajas vueltas. Como se ve en la figura

el par es muy elevado (17 kgfm = 166,7 Nm). Los rodamientos tienen Ø

interior = 80 mm, por lo que la rigidez del cabezal es elevad y es capaz de

hacer operaciones de desbaste hasta con la versión de 20.000 rpm.

La aceleración/desaceleración es importante para reducir los tiempos de

viruta-viruta. Gracias al control térmico del cabezal que evacua el calor

del motor de 22 kW, los tiempos de aceleración/desaceleración a y desde

7.000 rpm y 14.000 rpm pueden minimizarse. (tabla 2).

Fig. 9.-Dispositivo de sujeción de los palets

El cabezal monta como estándar fijaciones HSK para dar más rigidez,

aumentando la fuerza de sujeción (18 kN) y mejorar las vibraciones (2

mm de pico a pico) y por tanto alargando la vida de las herramientas.

Incorpora también refrigeración a través del cabezal hasta 70 bar para

aumentar el rendimiento de muchas de las herramientas de corte,

especialmente cuando se trabaja con aluminio (figura 8).

Fig. 10.- Mecanismo de auto-limpieza de los conos

posicionadores del palet.

3.7. Mesa y 4º eje

La mesa consiste en un palet intercambiable con precisiones +- 0,002

mm, asegurando siempre la corrección de El mecanizado sin necesidad

de hacer comprobaciones dentro de los ciclos de trabajo. El sistema de

fijación integra 4 conos de posicionamiento con 4 sujeciones para

asegurar la rigidez mientras se realizan mecanizaciones de grandes



esfuerzos (figura 9).

Para asegurar la precisión del sistema se incorporan mecanismos de

auto-limpiado que impulsan aire mientras se está haciendo el cambio de

la herramienta y así evitar que las virutas se interpongan a las superficies

de posicionamiento (figura 10).

Fig. 11.- Cambiador de palets es de sistema rotativo

El palet lleva incorporado el eje B de la máquina (figura 5). Este es a

menudo un eje solo posicionador (cada 5Þ o 1Þ) pero en este caso se

pueden hacer interpolaciones con los ejes X, Y o Z.

Los tiempos de indexación se han minimizado con tal de reducir al

máximo los tiempos de no-corte. Así la indexación de 0Þ a 90Þ se hace

en 1,5 s y la de 0Þ a 180Þ en 1,8 s.

Fig. 12.- Recogedor de viruta

3.8. Sistemas auxiliares

El cambiador de herramientas es accionado por un motor eléctrico y un

mecanismo de leva mecánica que controla todos los movimientos:

sujeción y alineación de la herramienta, rotación del brazo y obertura y

cierre de la puerta. Así se consigue tiempo total de cambio de =,7 s y un

tiempo viruta-viruta de 2,7 s.

El cambiador de palets es de sistema rotativo y por tanto los ejes no han

de hacer movimientos suplementarios, consiguiendo tiempos de cambio

de 10 s (figura 11).

La evacuación de la viruta se hace con un inteligente sistema de palets

que se sitúan justo debajo del carro del eje Z,. Así gran parte de la viruta

producida en el mecanizado cae directamente sobre el recogedor (figura

12).

Fig. 13.- Chapas de protección de la zona de trabajo

Las chapas de protección de la zona de trabajo están diseñadas para

evitar el acumulamiento de virutas durante las operaciones continuas y



la máquina incorpora sistemas de limpieza de la zona de trabajo desde el

techo para limpiar las protecciones (figura 13) y desde la mesa para

limpiar los útiles de fijación de la pieza mecanizada.


La máquina refrigera los husillos a bola y el cabezal con el mismo circuito

de aceite. Este es refrigerado por una unidad que mantiene la

temperatura constante. También se incorpora una unidad de

refrigeración / calentamiento que mantiene la temperatura de la

emulsión refrigerante a +-0,5Þ C de diferencia con la temperatura de la

columna, termo estabilizando así la zona de trabajo y la pieza

mecanizada.

5) METALUNIVERS Marzo 2002

Ejemplos de aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad (2ª parte)

Juan Martín - Técnico Comercial - Juan Martín, S.L.

1. MECANIZADO DE MOLDES Y MATRICES

Los moldes y las matrices son, sin duda, la aplicación más amplia de la

nueva filosofía del mecanizado de alta velocidad. En este sector la

introducción de esta nueva tecnología significa más que comprar una

nueva máquina herramienta.

En general se necesita sobredimensionar las oficinas técnicas porque

como ya se ha explicado en el capitulo 6, el tiempo necesario para el CAM

es claramente superior al necesario para estrategias de corte más

convencionales.

En cambio la sección de electroerosión se verá reducida con toda

seguridad, porque como también se ha dicho, ahora se puede mecanizar

para arrancar de viruta materiales que antes eran impensables gracias a

los nuevos recubrimientos de las herramientas, y también se pueden



reproducir formas más complejas y con radios más pequeños gracias a la

estabilidad de los nuevos cabezales y la precisión y dinámica del sistema

de accionamiento.

Por este mismo motivo se minimizan los tiempos siempre inciertos de

pulido manual y se pueden casi eliminar los procesos de ajuste final

(gracias a la precisión de la máquina y a la no- imprecisión de la mano

humana).

Todo junto permite reducir los plazos de entrega y mejorar la calidad,

que es el verdadero objetivo del mecanizado de alta velocidad en este

sector.

España, y en particular Cataluña. Es una de las regiones europeas con

una densidad más alta de moldesy matrices y esta industria es sin duda

el primer campo de aplicación del mecanizado por arranque de viruta.

Cada uno de los sectores de los muelle y matrices se enfrenta, pero, a

problemas diversos y El mecanizado de alta velocidad puede responder

también de diversas formas a estas necesidades. A continuación se hace

un estudio particularizado con alguno de estos sectores.

2.1. Moldes de inyección de plásticos

Este es el sector más amplio de los moldes. Componente de todo tipo de

plásticos son múltiples y están presentes en todos los niveles de nuestras

vidas. Si en cualquier ambiente nos fijamos en la cantidad de objetos

hechos con plásticos, y se piensa que cada uno de esos objetos puede

intervenir uno o diversos moldes de inyección de plásticos, se puede

tener una idea de la potencia del sector.

En Cataluña se fabrican moldes de inyección de plásticos para muy

diversas actividades pero podríamos destacar al sector automovilístico,

en el que gran parte de la producción se exporta a las grandes áreas

europeas de fabricación de automóviles / entre ellas España).

Las características del molde de inyección de plásticos son tan diversas

como los mismos componentes, cosa que hace difícil argumentar

soluciones globales para todas las empresas del sector. Las precisiones,

los acabados superficiales, etc.. son muy diferentes entre un molde



destinado a la fabricación de conectores telefónicos o equipamiento

médico y otro destinado a parachoques de coche.

Ahora bien, el sector siente la presión constante de unos plazos de

entrega cada vez más cortos y exigencias de calidad que hace 5 años

eran impensables.

La globalización, además, está abriendo todos los mercados del mundo, y

por lo tanto la competencia de las industrias del molde se sitúan a

menudo en países menos desarrollados donde los coste fijos y laborales

son más bajos. Las industrias transformadoras todavía se sitúan cerca,

por ejemplo, de los fabricantes de automóviles porque el sobrecoste del

transporte es demasiado caro por pieza. Pero para un molde que inyecta

millones de piezas, y con los medios actuales que aseguran la calidad, las

distancias no son ningún impedimento y los factores de elección de

proveedores ya no son geográficos sino de, y en este orden, plazos de

entrega, calidad y precios.

Nada más que con innovación tecnológica se puede, por tanto, mantener

las cuotas del mercado para esta industria en nuestro país. El

mecanizado de alta velocidad, es uno de los medios para resolver estos

conflictos, con las siguientes estrategias:

* Especialización de la industria. A la tecnología de mecanizado de alta

velocidad las dimensiones, precisiones y características de los materiales

son muy importantes, y dominar esta tecnología para cualquier tipo de

molde se hace, casi siempre inviable. Se requiere, por tanto,

especialización en un tipo y dimensión de molde que obliga a menudo a

sobrepasar fronteras si se quiere aumentar la producción (globalización).

Esta realización implica también la subcontratación de faenas auxiliares,

que a la vez serán especializaciones de otras empresas del sector (por

ejemplo, la fabricación de porta-moldes y otros normalizados).

* Adopción de métodos de fabricación automáticos sin presencia de

operadores. Los costos laborales serán siempre más bajos en otras

partes del mundo y se ha de intentar reducirlos. Las máquinas de alta

velocidad son más caras pero, en general, mucho más pensadas para la



operación automática. A demás las estrategias de mecanizado de alta

velocidad intentan ya hacer constantes las condiciones de corte, evitando

así rotura de herramientas.

* Redefinición de las etapas de la fabricación simplificándolas y haciendo

más fácil su planificación y control. La reducción de los procesos de

electroerosión, siempre que sean posibles, son fundamentales para el

ahorro de tiempo en el mismo tiempo de electroerosión y en el de

fabricación de electrodos de cobre o grafito, que no aportan beneficio al

molde. Los únicos elementos que todavía continuaran siendo propiedad

de la electroerosión son las esquinas con radios muy parecidos a 0 y las

ranuras muy profundas (pensemos que con mecanizado de alta

velocidad se llegan a hacer ranuras con esbeltez profundidad / anchura =

15.

* También en muchos casos, reducción de los tiempos de fabricación por

la posibilidad de mecanizar directamente los bloques de acero templado

desde el desbaste hasta el acabado y ahorrarse así los tratamientos

térmicos intermedios. Estos procesos están siempre sujetos a

condicionamientos económicos, pero si se consideran todos los factores

involucrados es a menudo muy ventajoso.

* La rapidez de los procesos de alta velocidad permiten hacer pasadas de

mecanizado mucho más pequeñas mejorando en 4 o 5 veces los

acabados superficiales con un tiempo de mecanizado parecido o

ligeramente mayor, Así permite reducir los procesos manuales de pulido,

ahorrando mano de obra muy cara. El mecanizado de alta velocidad

puede llegar a producir acabamientos superficiales de Ra = 0,1 mm y

mejores, superando los limites de las erosiones en tiempos

considerablemente mejores y sin necesidad de producción de

electrodos.

* La precisión estática y dinámica de las nuevas máquinas de alta

velocidad, y la presencia mínima de operaciones manuales permiten

muchas veces eliminar los procesos de ajuste de moldes, que a menudo

duran semanas y suponen costes altísimos en dinero y tiempo.



Pero estos avances no se quedan aquí. La presencia cada vez más

importante de los moldistas en la fase de diseño de los componentes

automovilísticos, puede permitir la adopción de nuevas formas de

producto que hagan más fácil la aplicación del mecanizado de alta

velocidad y reduzcan por lo tanto costes globales al sector.

A continuación se presentan algunos ejemplos de mecanizados

utilizando la tecnología de alta velocidad (figuras 14, 15, 16).

Fig. 14.- Macho de un molde de inyección de plástico para

tapacubos. Pieza de Ø470 en acero pretratado a 46 HRc.

Tiempo total de mecanizado desde el desbaste al acabado: 17 h.

Fig. 15.- Molde entero (macho y hembra) de la carcasa

exterior de un teléfono de mesa. Hasta las ranuras del macho

están mecanizadas en el centro de mecanizado.

Todas las superficies están acabadas de máquina, sin pulir.

Material DIN 1.2344 a 54 HRc.

Tiempo total de mecanizado 28 horas para la hembra y 52 para el

macho.

Fig. 16.- Hembra de un molde minúsculo para la

fabricación de una tapa de baterías.

Acero templado a 54 HRc. La herramienta más grande utilizada es de

Ø0,5 mm y la más pequeña Ø0,2 mm.

Tiempo de mecanizado 1,5 horas.

2.2. Moldes de inyección de aluminio

Las exigencias del producto en este sector son muy parecidas al de los

moldes de inyección de plásticos y también, por lo tanto los beneficios de

del mecanizado de alta velocidad.



Pero se han de destacar algunas características propias:

* Los componentes de aluminio se utiliza a menudo en aplicaciones

donde se necesita una refrigeración eficiente e incluyen por lo tanto

aletas de refrigeración. Estas, en los moldes, Suponen ranuras muy

esbeltas que tradicionalmente han supuesto grandes producciones de

electrodos de grafito y dedicación en tiempo a los procesos de

electroerosión. Este elemento ha de ser por tanto uno de los objetivos

del mecanizado de alta velocidad en esta industria (figura 17).

* Los acabados superficiales no son tan críticos como en el caso de los

molde de inyección de plásticos al ser, en general, los componentes de

aluminio piezas funcionales no vistas. A demás la misma inyección de

aluminio no consigue cualidades superficiales a las piezas muy buenas. Si

se necesitan componentes vistos de aluminio a menudo se acaban en

procesos de pulido automático.

Fig. 17.- Cárter del motor una motocicleta. Las ranuras

que conforman las aletas de refrigeración son muy profundas.

Material DIN 1.2344, 54 HRc. Tiempo: 9,5 horas

2.3. Moldes de soplado

Los moldes de soplado son un caso diferente dentro de los moldes de

componentes plásticos. Estos moldes se utilizan para la fabricación de

botellas de plástico. El sector más alto de consumo es el de las bebidas

refrescantes y sobre todo el agua mineral.

El funcionamiento del molde no es de inyección. Se utiliza una preforma

de plástico inyectado (este componente sí que es inyectado y requiere

precisiones muy elevadas), que incluye la rosca recipiente alargado con

un grosor de paredes determinado. Esta preforma se sitúa dentro del

molde y se sopla aire caliente por el interior de la preforma que calienta

el plástico y lo hace expandirse contra las paredes del molde. Esto da al

molde características particulares:

* El molde se fabrica en aluminio porque al no existir mucho rozamiento



del plástico se pueden conseguir producciones bastante elevadas. Las

máquinas dedicadas a estos moldes han de tener características

adecuadas para estos materiales. El mecanizado del molde supone un

tiempo muy limitado.

* Los acabados superficiales son muy exigentes. Nada más hay que

comprobar las superficies de las botellas de plástico. El mecanizado de

alta velocidad puede ahorrar tiempo de pulido que es porcentualmente,

muy elevado en estos tipos de moldes. En este sector se comenzó, hace

años, a utilizar interpolaciones NURBS para rebajar tiempos y mejorar la

calidad superficial.

* La producción de un determinado componente (por ejemplo la botella

de 1,5l de Font Vella) es muy intensa (algunos cientos de miles o millones

cada día) y por lo tanto se han de fabricar muchos moldes iguales. Esto

permite reducir los costes de programación por molde, y optimizar las

trayectorias para intentar mejorar tiempos y acabados superficiales. Muy

a menudo se pueden utilizar máquinas de mecanizado horizontales más

comunes en los campos de producción de pieza final, aprovechándola

mejor evacuación de las virutas que presentan estas configuraciones, y

los elementos auxiliares para reducir el tiempo de no corte como

cambiadores automáticos de palets. En un palet se puede montar un

cubo y en cada uno de sus costados un molde mejorando la autonomía

de la máquina y haciendo el proceso más económico.

* Tradicionalmente estos moldes no se han utilizado nunca en

electroerosión, y por lo tanto, no se da esta substitución de tecnologías.

En la figura 18 se presenta uno de estos moldes.

Fig. 18.- Molde de soplado en material de aluminio.

Tiempo de mecanizado 56min. Rugosidad superficial: 0,6 µm.

2.4. Matrices de forja en caliente y frío

Este sector también requiere piezas repetitivas, reduciendo por tanto el

coste de CAM por pieza fabricada.



Los materiales utilizados en la forja en caliente son aceros templados

(generalmente DIN 1.2344 de 44 a 54 HRc). En el capitulo 10 se ha hecho

el estudio económico de viabilidad de una empresa fabricante de este

tipo de matrices. En el estudio de viabilidad se explican otras

características del sector.

En la figura 19 se muestra una de las matrices más estudiadas de la forja

en caliente.

Fig. 19.- Matriz de forja caliente para la producción de

bielas para el sector del automóvil. El material es soldadura de

muy baja maquinabilidad. Tiempo total: 2 horas

La forja en frío utiliza materiales todavía más duros y difíciles de

mecanizar (como por ejemplo un material de la empresa Uddeholm, ASP-

23, que después del tratamiento térmico llega a 62 HRc).

Este sector se debate todavía entre la conveniencia o no de adoptar

máquinas de alta velocidad, o continuar con las máquinas de

electroerosión. Como se ha explicado ya en el capitulo 5, dedicado a la

herramientas, el rendimiento de estas baja mucho en durezas de 62 HRc

y por lo tanto los costos pueden se inviables.

Así y todo el futuro es claro, nada más que un pequeño paso de las

herramientas puede desbancar las electroerosiones totalmente. Ya, que

de todas las maneras, hay empresas que utilizan El mecanizado de alta

velocidad para producir sus matrices de forja en frío.

En la figura 20 se muestra el punzón de una matriz de forja fría para la

fabricación de colzas homocinéticas para la dirección de los automóviles.

Fig. 20.- Punzón para la fabricación de colzas homocinéticas.

Material: ASP-23. Dureza: 62 HRc. Tiempo: 3 horas

2.5. Matrices de extrusión de aluminio

Las matrices de extrusión de aluminio se utilizan en prensas de extrusión



que conforman el aluminio en perfiles. Estos se utilizan básicamente en

la construcción (puertas, ventanas, etc..).

Este sector también requiere grandes producciones de matrices pero en

este caso no repetitivas. De todas maneras las matrices de extrusión

tienen elementos morfológicamente muy semejantes y el elemento más

cambiante es el perfil de calibración que se hace únicamente con

electroerosión de hilo.

Los materiales utilizados son también DIN 1.2344 con tratamientos

técnicos para inducirlos a 52-54 HRc (figura 21).

Fig. 21.- Pieza puente de una matriz de extrusión de aluminio.

Material Din 1.2344 a 54 HRc. Tiempo total de mecanizado: 2,5 horas.

Las ventajas de producción y mecanizado de alta velocidad son claras

para este sector.

El problema más importante de estas matrices es el plazo de entrega.

Estos se están intentando reducir por debajo de ¡ una semana ¡.

Tradicionalmente el desbaste se produce con el material todavía blando,

se templa, y después se acaba en el centro de mecanizado o

electroerosión. Así muchas de estas empresas productoras incorporan el

tratamiento térmico en sus instalaciones para reducir tiempo.

Aún y esto el tiempo para endurecer una de estas matrices no es nunca

menor de 24 horas, que supone el 20% del tiempo total de producción de

la matriz.

El mecanizado de alta velocidad está comenzando a revolucionar este

sector. Las empresas líderes han adoptado ya esta nueva tecnología

simplificando el proceso de mecanizado integrado al centro de

mecanizado desde el bloque ya templado, ahorrando cambios de

máquina, operadores, tiempo y costes.

En muy poco tiempo la substitución de electroerosión de penetración

será casi del 100% en este sector.

El proceso total entonces se simplifica en mecanizado al centro de



mecanizado de alta velocidad y electroerosión de hilo para formar el

calibración del perfil.

2. CENTRO DE MECANIZADO PARA MOLDES Y MATRICES DE PRECISIÓN

Para esta aplicación hemos escogido el centro de mecanizado Makino

V33 de fabricación japonesa. A continuación se presenta la imagen y

características fundamentales de la máquina (figura 22 y tabla 23,

respectivamente).

Se trata de un centro de mecanizado de alta velocidad diseñado para

fabricar piezas de ultra precisión con unos acabados superficiales

excelentes. Es por lo tanto adecuado para moldistas de inyección de

plásticos de piezas pequeñas (moldes multicavidad).

Veremos a continuación las soluciones técnicas que se han desarrollado

para este modelo y cómo se han conseguido estas características.

Fig. 22.- Aspecto del centro de Makino modelo V23

Fig. 23.- Estructura de la máquina Makino V23

Fig. 24.- Esquema de la estructura de la máquina Makino V23

3.6. Estructura

La estructura de la máquina se ha diseñado para mejorar la precisión

estática y dinámica de los centros convencionales. Se utilizan guías

hidrodinámicas muy amplias para aumentar el amortiguamiento de las

vibraciones y mejorar así los acabados superficiales (figuras 23 y 24).

Se aumentan las rigideces de los carros de los ejes X y Z con distancias

entre guías muy amplias y alargando las guías del eje Z evitando

voladizos, Así se mantiene la rigidez del sistema en cualquier posición de

los ejes.



Los husillos de bolas son también extra- rígidos. El diámetro de 45 mm y

el paso de 8 mm le conforman una respuesta muy elevada a las

necesidades de aceleración para la realización de trayectorias complejas

de 3D.

3.7. CNC y sistemas de accionamiento

Los sistemas de medida de los accionamientos incorporan encoders y

reglas.

Los encoders realizan el cierre del lazo de velocidad. Estos tienen

resolución de 1 millón de pulsos por vuelta.

El CNC de esta máquina utiliza la tecnología básica del FANUC 16iM pero

el control de los ejes está programado por el fabricante de la máquina

adaptándolo así a los algoritmos las ecuaciones de respuesta de la

mecánica de la máquina.

La cadena cinemática de los ejes, los nuevos sistemas de medida de alta

resolución y los algoritmos de control numérico adaptado a la mecánica

de los ejes nos permiten obtener precisiones y acabados superficiales

excepcionales.

La precisión se comprueba mecanizando un circulo de Ø40 mm en

aluminio a 8000 mm/min de avance. Los resultados se presentan en la

figura 26.

Fig. 26.- La prueba es mostrar un error de circularidad

máxima de 1.3 µm, en un avance de 8.000 mm/min.

Con este nuevo sistema de lectura de la posición se pueden controlar las

0,1 µm.

Esto mejora mucho el acabado superficial de las piezas.

En las figuras 27 y 28 se muestran, al microscopio, las diferencias entre

un acabado con el lazo de posición estándar de 1 µm y otro con el lazo

de posición de 0,1 µm. En la 27 se muestra el acabado con feedback de

0,001 mm y en la 28 el de feedback de 0,0001 mm.



Fig. 27.- Acabado con feedback de 0,001 mm

Fig. 28.- Acabado con feedback de 0,0001 mm

3.8. Cabezal

El cabezal de la máquina es uno de los elementos más especiales en esta

máquina.

Para conseguir hacer piezas de ultra precisión se necesita que también el

cabezal mantenga precisiones por debajo de 0.002 mm. El control

térmico de este ha de ser, por tanto muy apurado. Su sistema de

refrigeración se muestra en la figura 29.

Se trata de un cabezal integrado con un motor de doble bobinado para

conseguir parejas respetables a bajas revoluciones. Las revoluciones

máximas son 20.000 rpm.

Fig. 29.- Sistema de refrigeración del cabezal

Como se ha explicado en el capitulo 8, la dicotomía entre potencia y

velocidad de cabezal se produce fundamentalmente por la imposibilidad

con sistemas normales de refrigeración, de montar rodamientos rígidos

(tamaño grande) en un cabezal de altas revoluciones y con una vida

estimada muy aceptable.

El cabezal de este centro de mecanizado presenta dos características que

permiten sobrepasar los valores establecidos en el capitulo 8.

* Refrigeración directa del rotor. El cabezal (como se ve en la figura 28) se

refrigera primero dentro del rotor, después enfría el exterior de los

rodamientos frontales y por último los devaneos del estator del motor.

Esta refrigeración es muy eficiente porque evacua el calor directamente

del lugar donde se concentra el mayor número de focos: el estator. A

demás esta refrigeración se controla para actuar con más intensidad

cuando aumenta la velocidad del cabezal, Así, a más velocidad, el rotor



del cabezal es más frío que la parte fija y por lo tanto se aligera la

precarga de los rodamientos. Esto nos permite precargar los

rodamientos a bajas revoluciones, obteniendo así un cabezal capaz de

una rigidez axial y radial muy alta en las revoluciones donde se hacen los

desbastes. Y en cambio a otras revoluciones cuando los esfuerzos de

corte son mínimos liberar las precargas.

* Lubricación directa de la jaula interna de los rodamientos. El mismo

aceite que se utiliza para la refrigeración del interior del rotor, lubrica

directamente la jaula interior de los rodamientos frontales, mediante

unos agujeros que se practican antes del montaje. Esta lubricación nos

permite cifras DN 5 veces superior a los obtenidos con refrigeración aire-

aceite. Tenemos por tanto más juego con el tamaño del rodamiento (en

la máquina se montan rodamientos de Ø interior = 65 mm), y la vida

efectiva de los mismos se alarga (20.000 horas mínimo).

Este cabezal supera en todos los aspectos a los cabezales de máquinas

similares. Los acabados superficiales que se obtienen con la máquina son

también muy superiores (hasta Ra = 0.03 mm, o sea el espejo).

La figura 30 muestra los gráficos de potencia y par respecto a la

velocidad del cabezal.

Fig. 30.- Gráficos de potencia y par respecto a la velocidad del cabezal.

3.9. Sistemas auxiliares

Esta máquina esta especialmente diseñada para El mecanizado de piezas

de ultra precisión y acabados superficiales excelentes para moldes.

Estas piezas son normalmente pequeñas y por tanto la cantidad de

material a mecanizar es insignificante. Por eso la máquina no incorpora,

al menos de serie, ningún extractor de virutas.

Estas se pueden extraer con la mano mientras la máquina esta en

funcionamiento con el inteligente sistema descrito en la figura 31.



Fig. 31.- Extracción de virutas mediante un cajón que se puede vaciar

mientras la máquina se encuentra en funcionamiento.


Para obtener precisiones inferiores a los 0,002 mm son necesarios

controes térmicos estrictos que impidan la aportación de calor a la

estructura.

Los motores de los ejes tienen ventilación forzada para extraer el calor

generado en sus devanados y rodamientos.

Las uniones motor-estructura y el cabezal de la máquina se refrigeran y

mantienen a +-0,5oC de la temperatura de la estructura. Esta

temperatura es controlada por sensores térmicos que hacen de input al

sistema de realimentación del refrigerador.

La emulsión refrigerante también refrigera a +-0,5oC de la temperatura

de la estructura.

Las fuentes de calor, tales como el armario eléctrico, se mantienen

siempre con una barrera térmica para no aportar calor a la estructura

(figura 32).

Fig. 32.- Barrera térmica entre armario eléctrico y estructura

5) METALUNIVERS Marzo 2002

Mayor rendimiento en la fabricación de un molde de inyección

Rentabilizar el proceso de mecanizado es un elemento que afecta al



coste final del producto. El rendimiento de la herramienta juega un

importante papel. Por ello, la acertada elección de la herramienta

adquiere un papel preponderante. A tal fin, Pascual Cubeles

(www.pascualcubeles.com) ha incorporado a su amplia oferta la extensa

gama de productos de la prestigiosa firma Pokolm, que cuenta con una

sólida experiencia en el campo de la mecanización por arranque de

viruta y que por su gama de producto, puede ofrecer la solución más

adecuada para cada caso, tanto para el proceso como para el material.

Veamos en este artículo el ejemplo del moldista Madelmold.

Redacción MU

Madelmold (www.madelmold.net) es una empresa ubicada en Alcalá de

Henares (Madrid) cuya actividad está orientada a la construcción de

moldes de alta precisión para sectores en los que se exige valores de

calidad en piezas finales de márgenes dimensionales muy estrechos.

Recientemente tuvo que realizar un pedido de cliente que le exigió tomar

la decisión de elegir muy cuidadosamente los elementos más adecuados

para poder satisfacer las exigencias del proyecto y a la vez poder

ofertarlo con un precio muy competitivo.

El proyecto desarrollado fue el molde del contenedor de un 'airbag' de

coche con material de inyección polipropileno con elastómero. Para ello,

en primer lugar, Madelmold dispone de un parque de máquina-

herramienta de última tecnología (entre las que se encuentra el centro

de mecanizado para alta velocidad Huron XL 15). Además, cuenta con

métodos de diseño (como el software Catia V5R18) y experiencia técnica

que ofrecen la confianza que el cliente exige. Antes de iniciar el trabajo,

Madelmold realizó las pruebas necesarias, con la colaboración de los

expertos de las marcas que experimentó sobre la misma calidad de

material que imponía el proyecto.

Finalmente, los resultados obtenidos la inclinaron a la utilización de útiles

Quadworx, de Pascual Cubeles. El proyecto de un molde de inyección

esta constituido por dos componentes: el portamoldes y la figura.



1. Estructura del molde

Un portamoldes normalizado Hasco contiene las dos partes del

contenedor. Cada una, a su vez, cuenta con una placa de acero 1.2738 en

la que se ha mecanizado una cajera en la que se inserta el postizo o

figura correspondiente (geometría exterior o interior del contenedor) En

estas placas de 1.2738 se han mecanizado una cajera de 750x320x80 mm

en la que se empleó -para los ciclos de desbaste- de un plato Quadworx

de Ø 52 provisto de las correspondientes portaherramientas y plaquitas.

En el cuadro adjunto se detallan los diferentes parámetros empleados

para mecanizar. El tiempo total empleado en esta operación fue de 3

horas utilizando tan solo un filo (de los cuatro posibles) de la

herramienta. Este tiempo incluye los tiempos muertos de

posicionamiento y trabajo en vacío propios del CAD-CAM a la hora de

programar. Las dimensiones del molde exigieron reposicionamientos en

la mesa de la máquina.

En anterior proyecto de semejantes características de portamolde y con

otro proveedor, el tiempo fue el doble y se precisaron dos filos. Los

postizos se mecanizaron en acero 1.2083; y gran parte de los desbastes

se realizaron con plato (Ø 25), herramientas y plaquitas Quadworx.

2. Aceros empleados en el molde

Los tipos de acero utilizados para el molde han sido el 1.2783 y 1.2038. El

primero para la placa que contiene el inserto y el segundo para realizar el

mismo. Sus características más destacadas son:

1.2083 es un acero inoxidable con un alto contenido en Cr. (del orden del

13 por ciento) los hacen especialmente aptos, por su resistencia a la

corrosión, a la inyección de compuestos tipo PVC, para ambientes

especialmente húmedos, empleados con compuestos abrasivos o

también en series excepcionalmente largas. La gran calidad de pulido

que permite el 1.2083, lo hace también especialmente adecuado para la

inyección de piezas para óptica (lentes de cámara, cristales de gafas) así

como artículos médicos. Se suministra a 800 N/mm2.



Acepta aplicar, entre otros, recubrimiento PVD de nitruro de titanio

1.2738 Es un acero que se suministra bonificado a una dureza 980 -1.100

N/mm2. y por contar con aportación del Ni (1%) con un excelente

comportamiento a los tratamientos térmicos (penetración de dureza

hasta el núcleo). Cuenta con una excelente maquinabilidad y sus

excelentes características mecánicas (además del citado comportamiento

térmico) lo convierten en un acero especialmente adecuado para moldes

de gran tamaño (gruesos a partir de 400 mm).

3. Quadworx: herramientas utilizadas

En este caso, las herramientas utilizadas para la preparación del

portamoldes corresponden a una línea de producto con características

técnicas y diseño especialmente desarrollada para el mecanizado de gran

avance. Por eso se han cuidado en detalle las características extremas

que tiene que soportar el plato/asiento y la plaquita, para poder

multiplicar por cuatro el rendimiento de la herramienta manteniendo la

geometría de corte dentro de sus valores originales y con un

recubrimiento de última generación que permite un corte fino y de

elevada calidad de acabado. Para garantizar mayor duración, precisión y

robustez del proceso de mecanizado el plato tiene la patente de la

plaquita encajada dentro del asiento/cuerpo de Pokolm.

Hay 4 tipos de plaquitas con diferentes materiales de base y con su

recubrimiento especializado para el campo de empleo recomendado.

Quadworx representa un innovador sistema de útil de corte, en el se

concentran ventajas tanto en la plaquita como en la herramienta. La

plaquita -sección cónica- se distingue por la geometría de la cara de

corte, de perfil topológio tanto en lados, valores radiales y arista con

radio. Como segunda ventaja - no menos principal- se encuentra el

hecho de poderse utilizar 4 veces (cambiando la posición del lado) y

permitir mayores valores de profundidad de corte (ap).

Proporciona excelentes condiciones de corte en todos los materiales

(aceros, fundición, inoxidables, templados) especialmente en avance de



diente (fz) y pasadas axiales (ap). Este especial diseño de la plaquita

permite un excelente rendimiento (expresado en reducción de tiempos y

calidad de acabado superficial en la entrada axial (propio del taladrado),

en rampa y helicoidalmente (propio de ciclos de interpolación). Los platos

de fresado cuentan con un nuevo diseño. Con ello se obtiene una

excelente superficie de contacto en la plaquita, de forma tal, que las

tensiones que se generan por el esfuerzo de corte, son perfectamente

absorbidos por ese soporte. Asimismo se ha concedido una especial

atención al tornillo de fijación de la plaquita con la herramienta, máximo

cuando uno de los beneficios que ofrece el sistema Quadworx - tal como

se ha apuntado- es el de poder utilizar las cuatro caras de aquella, lo que

permite multiplicar por cuatro su vida útil y por lo tanto obtener un

beneficio extra con su utilización.

4. La máquina: Huron KX10

Madelmold ha utilizado un centro de mecanizado de alta velocidad

Huron KX10. La empresa satisfecha con el rendimiento de este centro,

dispone en la actualidad de dos unidades del mismo modelo

suministrados por Máquina Center.

Huron KH10 es un centro especialmente preparado para el mecanizado a

alta velocidad. Ello representa que en primer lugar la arquitectura de la

máquina es de tipo pórtico realizada en fundición lo que se traduce en

un excelente comportamiento y elevada capacidad de absorción de las

tensiones dinámicas generadas por la cinética de los desplazamientos en

sus tres ejes y la temperatura producto del arranque de viruta.

Dispone de unos ejes con unos recorridos X/ Y/Z de 1.000/700/550 que

permiten mecanizar una amplia gama de geometrías de pieza (hasta un

peso máximo de 1.500 Kgs en una superficie útil de mesa de 1.200x750

mm.). Equipa - estándar- un husillo (cono HSK63-A) que puede girar hasta

18.000 rpm. Aunque, no obstante, se puede suministrar con husillos a

velocidad 24.000 (HSK 63-A) ó 42.000 rpm (HSK 40-E).

El apriete de la herramienta es totalmente mecánico para asegurar su

perfecta sujeción, con un sistema -de accionamiento hidráulico- para



aflojarla. Gran precisión en los avances. Cuenta con un control que actúa

sobre motor de variación continua de corriente alterna. Con valores de

desplazamiento rápido de 30.000 (ejes X/Y) y 18.000 mm/min (Z); y en

régimen de trabajo - programable-se sitúan en la franja de 1-10.000

(X/Y/Z). Aceleración máxima (en los tres ejes) de 3 m/s2. Huron KX10

proporciona una elevada precisión en el mecanizado. El valor de su

repetitividad es de 5 y error de posicionamiento de 7 um. en los tres ejes.

Otra cualidad del centro Huron KX10 es la velocidad de cambio de

herramienta-herramienta, de 6/12 segundos, con viruta de 15/20

segundos. El equipo estándar dispone de un almacén para herramientas

con 20 posiciones; aunque opcionalmente se puede suministrar para 30.

Asimismo va provisto de un eficiente sistema de extracción de virutas

que incorpora una cinta transportadora.

Tres talleres testimonian las ventajas del mecanizado del acero templado

por corte a alta velocidad

En la cadena de procesos 'clásica' de un taller de fabricación de moldes,

la electroerosión tiene un papel primordial. Para un buen número de

aplicaciones, el mecanizado de acero templado por corte a gran

velocidad manifiesta ser una alternativa ventajosa. Según las

aplicaciones, este método ofrece considerables ventajas en cuanto al

tiempo de ejecución, a los costes y a la calidad. Tres responsables de

talleres de mecanizado con series de fabricación diferentes dan

testimonio de sus experiencias.

Klaus Vollrath de Röders

Es bien conocido que con los centros de mecanizado y las modernas

herramientas de punta, ha sido posible mecanizar muy fácilmente

incluso piezas masivas en acero templado. Pero las ventajas de esta

tecnología ¿bastan para justificar una inversión en este tipo de equipo? El

acercamiento normal para juzgar este tipo de preguntas consistente en

argumentar que el cambio puro y simple de una tecnología por otra, más



eficaz, es rentable se manifiesta a menudo impracticable. Esto se debe

principalmente a las limitaciones tecnológicas del fresado, sobre todo en

presencia de cajas profundas y estrechas o nervios delgados. En

consecuencia, un cambio puro y simple solo es posible raramente. De

todas formas, las ventajas del proceso de fresado a alta velocidad - sobre

todo por el hecho de su rapidez y de la precisión de las piezas - ofrecen al

usuario una gama de grados de libertad suplementaria muy tentadora.

Entre los aspectos principales se manifiesta, además de las ganancias

considerables concernientes a los costes, una reducción considerable de

los tiempos de ejecución en relación con la electroerosión que requiere

la fabricación previa de un electrodo. Tres responsables de talleres de

mecanizado con series de fabricación diferentes dan testimonio se sus

experiencias respectivas. Su punto en común es el uso del mismo tipo de

centro de mecanizado, una Röders RXP 500.

1. Ermet: ganancias de tiempo considerables

“Los moldes para conectores electrónicos representan uno de los

productos clave de nuestra gama de fabricación”, apunta Peter Büchler,

responsable de producción de Ermet GmbH en Bad Windsheim

(Alemania). Este taller de fabricación de moldes con 38 asalariados forma

parte del Grupo Ermet-Buck, una P.M.E. especializada en la producción

de productos punteros en material plástico. Los pedidos provenientes de

diferentes empresas del grupo representan alrededor del 70 por ciento

de su volumen de negocio, el resto debe adquirirse en el mercado libre.

La mayoría de los productos se destina a fabricantes de automóvil, de

equipo electrónico o de técnica médica, una clientela considerada de las

más exigentes. Esto vale particularmente para los moldes destinados a la

fabricación de conectores electrónicos múltiples o para la integración de

parillas conductoras estampadas en una pieza inyectada. Estos procesos

están a menudo altamente automatizados y caracterizados por piezas

con mucha filigrana con tolerancias muy estrechas.



“Es necesario reconocer que para este tipo de moldes, no es fácil sustituir

la electroerosión por el fresado”, añade P. Büchler. Estos moldes se

caracterizan por una multitud de pequeños componentes enclavados

con clavijas a menudo muy estrechas cuya tolerancia está

frecuentemente limitada a 5 µm. Instalado en agosto de 2005, el sistema

de mecanizado por corte a alta velocidad RXP 500 ahora trabaja en dos

turnos, alcanzando el husillo un total de utilización anual de 3200 horas.

Los aceros que se mecanizan tienen una dureza de 52-54 HRC, las fresas

tienen normalmente diámetros de 2-3 mm, el máximo alcanza 8 mm.

Incluso tareas consideradas antes como críticas como los nervios de sólo

1 mm de ancho con una profundidad de hasta 9 mm se han vuelto

rutinarias. Entre las mayores ventajas del nuevo sistema, se cuentan los

tiempos de mecanización reducidos, disminución de costes y un

aumento de precisión. Un buen número de ajustes y superficies de

apoyo se fresan ahora directamente sin acabado por moldeado. Además,

la calidad de las superficies así como el desmolde después de inyección

se mejoran notablemente.

P. Büchler señala de todas maneras que para aprovecha al máximo esta

ventajas, han sido necesarias no poco 'trabajo de cabeza', por ejemplo en

vistas de una partición de los moldes teniendo en cuenta las restricciones

especificas de la nueva tecnología. “A fin de cuentas, el mecanizado de

acero templado por corte a alta velocidad no suplantará la

electroerosión, pero nos abre vías alternativas de las que tenemos

urgente necesidad”, tal es el balance de Peter Büchler.

2. Heckler : matrices para fabricación en gran serie

“Nuestras herramientas de conformar están sometidas a esfuerzos

extremos - a tal punto que se rompen por fatiga mucho antes de

alcanzar un desgaste significativo”, manifiesta Peter Heckler, PDG de la

sociedad Heckler AG en Niefern-Öschelbronn (Alemania). La empresa

está especializada en la fabricación de piezas de precisión en acero o en

aluminio conformadas por estampado en frío.



Buen número de productos fabricados así se utilizan en dispositivos de

seguridad como por ejemplo los sistemas de tensión de los cinturones de

seguridad en el automóvil, y debe pues cumplir las más altas exigencia

en cuanto su calidad y su precisión. Si la producción de series muy

grande pone evidentemente los aspectos de coste en primer plano, une

flexibilidad máxima en lo concerniente al tamaño de los lotes de

fabricación y los plazos de entrega no son menos importantes. Respecto

la duración de vida tan restringido de las herramientas que típicamente

es de sólo 20.000 a 60.000 ciclos de producción, la productividad y la

rapidez del taller de utillaje representan factores de primera importancia

para el éxito comercial de la empresa.

“Para ciertas operaciones, la sustitución de la electroerosión por el

fresado a alta velocidad nos ha permitido efectuar ganancias de tiempo

de hasta el 70 por ciento”, explica Claudio Sandrini, jefe de métodos en

Heckler. Actualmente, el nivel de herramientas fabricadas por este

método alcanza el 60-70 por ciento. La mayoría está fabricada a partir de

aceros para trabajo en frío con durezas de 56-60 HRC. La Röders RXP 500

comprada a mediados de 2005 está provista de un cambiador de paletas

de ocho posiciones y de un almacén de herramientas de 100 posiciones.

La máquina trabaja a tres turnos.

Las estampas que produce son tan precisas que el seguro de calidad a

podido ser limitado a un control de muestras. Además, las estampas

fresadas tienen una mejor calidad de superficie y el acabado por pulido

se ha podido reducir en un 50-60 por ciento. Además, su dureza de

servicio es del 10-15 por ciento superior. Sin embargo, P. Heckler

concede que el corte a alta velocidad no remplazará completamente la

electroerosión.

3. ProForm : precisión máxima

“Para los moldes destinados a la fabricación de piezas inyectadas con

conductores eléctricos integrados, incluso la mínima divergencia



dimensional es crítica”, explica Matthias Person, jefe de métodos en

ProForm Formenbau GmbH en Pforzheim (Alemania). Durante la fase de

inyección, los elementos del molde encajándose estrechamente

aseguran que la masa plastificada revista ciertas partes de los

conductores y le impiden penetrar en ciertos espacios reservados. Esta

tarea es tanto más difícil cuanto que las presiones del proceso de

inyección son enormes, el plástico tiene tendencia a penetrar incluso en

los intersticios más mínimos, lo que lleva a la formación de rebabas muy

finas difíciles de quitar que comprometen la funcionalidad del producto.

Además, estos moldes están constituidos por una multitud de

componentes a menudo muy afiligranados que deben ser posible

cambiar rápidamente después de un eventual desgaste. Llegado el caso,

es primordial una precisión extrema para minimizar los plazos de ajuste

antes de la puesta en marcha de la producción. Para ProForm, la

fabricación de estos componentes equivale pues a una lucha continua

mirando de alcanzar la última µm de precisión posible. El fresado a alta

velocidad se utiliza paralelamente y en combinación con otras

tecnologías como la electroerosión o el moldeo PTW.

“Comparado al sistema que utilizábamos antes, la nueva Röders

impresiona par toda una serie de ventajas”, reconoce M. Person. En

primer plano figura una duración de servicio de las fresas aumentado

hasta el 80 por ciento así como una disminución de alrededor del 60 por

ciento del tiempo de mano de obra necesario. La mayoría de los aceros

para trabajo en caliente utilizados tienen una dureza de 54 HRC pero

alcanzan hasta 60 HRC. El diámetro de las fresas varia entre 10 y 0,3 mm.

La mayoría de los aceros para trabajo en caliente utilizados tienen una

dureza de 54 HRC pero alcanzan hasta 60 HRC. El diámetro de las fresas

varía entre 10 y 0,3 mm

Otra ventaja es la precisión del nuevo centro de mecanizado que permite

reducir el tiempo de acabado en un orden de magnitud alcanzando cinco

hombres-puesto por molde. Una estación integrada de control

dimensional de la fresa con láser permite realizar tolerancias sobre pieza



de 3-5 µm. Esta alta precisión permite pasar directamente del fresado al

moldeado PTW. Otra ventaja de esta precisión es que para moldes con

un plano de unión complejo, los gastos por el retoque son mínimos.

El punto común de los tres talleres presentados aquí es la puesta en

trabajo del mismo tipo de centro de mecanizado: una Röders RXP 500

dotada de motores de inducción lineal permitiendo alcanzar un máximo

de precisión y de dinamismo.

EvoBus realiza el mecanizado de aluminio utilizando la técnica ‘nesting’

17 de julio de 2008

La empresa EvoBus, filial de Mercedes, fabrica con la tecnología ‘nesting’

retales de aluminio de 4 mm. de espesor para confeccionar las

carrocerías de sus autocares. Numerosas y exhaustivas pruebas y la

evolución de la herramienta, en cooperación con el grupo

alemán Homag, permiten hoy el máximo aprovechamiento del material

mediante la tecnología ‘nesting’ o de ‘anidado’, una técnica que se

impone progresivamente en la industria de la madera en Estados Unidos

y Australia y que se basa en la optimización máxima de la materia prima

mediante el corte de las piezas sobre una única plancha, previamente

trazadas con la finalidad de aprovechar al máximo el material y la

energía.

Con velocidades de avance de hasta 6 m/min., los centros de mecanizado

Boz de Homag permiten la fabricación de planchas de aluminio con un

alto incremento de la productividad respecto a las técnicas de procesado

convencionales.

Empresas o entidades relacionadas

El mecanizado de alta velocidad, gran ayuda para moldistas

Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución

experimentada por la tecnología de fabricación en los últimos 10 - 15

años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de



comunicación, etc, están revolucionado el mundo en general y en

particular el mundo empresarial. En el campo que nos concierne,

mecanizado-fresado, "el cambio o la revolución" ya ha llegado y, aunque

todavía queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a

Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad que muchas empresas y mucha

gente todavía desconocen. El MAV hoy en día es una tecnología de corte

con bases sólidas que abre las puertas del mecanizado de materiales y

figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado

convencional, como por ejemplo: materiales con una dureza superior a

50 Hrc o paredes delgadas de 0.2 mm, etc.

Joseba Pérez Bilbatua, Goretti Alberdi, Patxi López

Centro de Aplicaciones del Mecanizado de Alta Velocidad de Tekniker

1. Pero, ¿qué es el mecanizado de alta velocidad?

¿Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? ¿Es mecanizar a altas

velocidades de husillo (n)? ¿Es mecanizar a altos avances (Vf)?…

Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es

que no significa obligatoriamente mecanizar a altas revoluciones de

husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de

husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro

(25 - 30 mm). Las condiciones del proceso (velocidad de corte, avance,

profundidades de corte radial y axial, etc) dependerán del material a

mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.

Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias

características de maquinabilidad, lo que nos marcará los limites

operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:

- Materiales blandos (aluminio, cobre,magnesio,etc.) que duros (aceros

templados, titanio, níquel, etc.)

- Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca

maquinabilidad (titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).

Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros

de corte, estrategias de mecanizado, volumen de material extraído por



unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de proceso

en general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica

muestra los rangos de velocidades de corte en función del material

mecanizado.

Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización

del mecanizado con las posibilidades existentes limitado por la

pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAMCNC)

disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre

5 y 10 veces superiores a las que se utilizan de manera convencional

"para cada material".

2. Un paso hacia el mecanizado óptimo

Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado

un paso importante hacia el mecanizado óptimo de cada material.A

medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas,

herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc… se irá

avanzando hacia la optimización general del mecanizado, en el que cada

material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus

herramientas,etc.

3. ¿Qué supone el MAV en una empresa?

La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el

mecanizado en óptimas condiciones y la posibilidad de mecanizar

algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte

Vc (>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.

4. Un cambio de filosofía

1) Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.

a) Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.

b) En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente

mayor que el gasto de tiempo en mecanizado.

c) Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a

pie de máquina.

2) Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas,

controles, etc.



a) La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de

mecanizado deseada y al perfil objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).

b) CNC: Deben ser capaces de prever cómo va a cambiar la trayectoria

exigida a esa herramienta en el instante de tiempo siguiente (look ahead,

nurbs, etc.).

c) CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el

MAV.

d) La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la

operación requerida. Los recubrimientos aumentarán la vida de las

herramientas.

El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar,que supone

un cambio de mentalidad y necesidades: es una tecnología que no tiene

nada que ver con el mecanizado convencional.

El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja

velocidad de corte por muchas pasadas rápidas de menor profundidad

de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada

(volumen de material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de

corte y los elevados avances disminuyen las fuerzas de corte gracias a

espesores de viruta cada vez más pequeños.

Ventajas que ofrece el MAV

- Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles,

posibilidad de mecanizar paredes delgadas (0,2 mm)

- Mayor precisión de los contornos, mejor calidad superficial y tolerancias

dimensionales más precisas

- Reducción del tiempo de pulido

- Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado

- Mecanizado de paredes finas

- Reducción del tiempo de mecanizado y coste global

- Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta

- Evacuación casi total del calor por medio de la viruta

- Aumento en la vida de la herramienta

- Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera



mecanizado en caliente.

5. Conclusión

Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado,

pero supone una oportunidad de optimización en determinados campos

de aplicación. más información:

http://www.metalunivers.com/arees/altavelo/tutorial/ introduccion.htm

http://www.highspeedmachining. net/

El fresado a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices

En este artículo se determinan cuáles serían las líneas generales de

actuación para implantar la técnica de fresado a alta velocidad

distinguiendo entre la producción de moldes y matrices para piezas

pequeñas y grandes y teniendo en cuenta las particularidades, exigencias

y prioridades de cada una de ellas a la hora de gestionar la producción

de su taller.

Alejandro Gómez

Proyectos RDI

Fundación ASCAMM

Foto 1: Molde sencillo sin mecanismos para pieza pequeña,

adecuado para empezar y terminar su fabricación aplicando

la técnica de fresado a alta velocidad

Si diferenciamos la aplicación del fresado a alta velocidad a la fabricación

de moldes y matrices según el tamaño de pieza de plástico a

transformar, generalizando podemos distinguir entre los dos tipos de

producción siguientes:

a) Moldes y matrices para piezas pequeñas.

b) Moldes y matrices para piezas grandes.

A continuación se intenta diferenciar y caracterizar cuales serían las

líneas generales de actuación para implantar la técnica de fresado a alta



velocidad distinguiendo entre estos dos tipos de producción, sabiendo

que cada caso tiene sus particularidades, exigencias y prioridades a la

hora de gestionar la producción de su taller.

1. Útiles para pieza pequeña.

La fabricación de utillajes para piezas pequeñas, ya sea molde de

inyección, matriz de corte, de embutición, etc., suelen tener como

característica que para su fabricación hay que arrancar poco volumen de

material. En estos casos puede ser una ventaja muy importante poder

fabricar toda la pieza en una sola estacada de máquina, trabajando con

el acero ya templado según las especificaciones de utilización del útil,

evitando así deformaciones, además de trabajar con unas tolerancias

dimensionales del orden de centésimas y unas rugosidades superficiales

de valores inferiores a la micra.

Es en este tipo de producción donde resulta más complejo implantar el

fresado de alta velocidad a la totalidad de la fabricación de la figura.

Partiendo del diseño CAD 3D de los postizos de figura a fresar, se

generan los programas de mecanizado con un sistema CAM.

La fase de programación en CAM es donde aparece el cuello de botella,

ya que el hecho de tener que realizar pequeños desbastes con acero

endurecidos hasta 65 HRc ó más, hace imprescindible emplear

estrategias de fresado adecuadas para que la vida de la herramienta sea

razonable. Para implantar con éxito el fresado a alta velocidad en este

tipo de aplicación es necesario potenciar la oficina técnica y más

concretamente la división de generación de programas CAM para poder

“alimentar” una fresadora de alta velocidad sin interrupciones de tiempo

prolongadas.

La calidad superficial que se puede obtener aplicando esta técnica

reduce considerablemente el tiempo de pulido de las figuras, además, las

tolerancias dimensionales que ofrecen estas fresadoras nos permiten

reducir también el tiempo y operaciones de ajuste del molde. La

limitación física más importante al aplicar esta técnica para pequeños

desbastes tenemos la vida de la herramienta.



Con herramientas de geometría optimizada y con recubrimientos

adecuados en función del material de la pieza, el rendimiento de estas

una vez fijados los parámetros de corte óptimos, dependen en gran

medida de las estrategias de fresado empleadas. Como ejemplo vale

decir que fresando un acero endurecido, un valor programado de pasada

radial (Ae) correcto puede ser de un 5% del total del diámetro de la

herramienta, pero que en el momento que se mecaniza, dependiendo de

la geometría de la pieza, este valor de pasada radial se convierta en

según que tramos de su trayectoria en el 100% del diámetro.

Foto 2: Ejemplo de estrategia de fresado de una cajera con isla. En rojo se

ha representado el tramo en el cual la herramienta corta con todo su

diámetro.

Evidentemente en pocos casos se puede terminar la figura en su

totalidad solamente de herramienta, en la mayoría de los casos se hace

necesario complementos de fabricación con el proceso EDM.

Continuando con el esquema de la figura, como fase siguiente tenemos

la ejecución de los programas de fresado en el centro de mecanizado de

alta velocidad, obteniendo terminadas las piezas, o en su defecto

restando solamente el trabajo de electroerosión de las zonas donde no

ha podido llegar la herramienta.

Paralelamente al trabajo descrito, se generan los programas de fresado

de los electrodos, en esta ocasión sin tantas dificultades como se

presentan cuando se trabaja con aceros endurecidos, y posteriormente

se fresan obteniendo unos acabados excelentes con unos tiempos de

fresado inferiores hasta en un 60% que en fresado convencional.

Así pues, podemos decir que la fabricación de los electrodos aplicando la

técnica MAV aporta una disminución muy considerable del tiempo de

fabricación de estos, sin añadir grandes dificultades de programación,

con lo cual en estos casos las ventajas en cuanto a tiempo de producción

y calidad de producto son determinantes.



2. Útiles para pieza grande.

La implantación del fresado a alta velocidad para la fabricación de útiles

de gran tamaño resulta menos compleja en la fase de CAM que en el

caso de la pieza pequeña, ya que a nivel de programación, no supone un

esfuerzo adicional demasiado elevado.

El fresado de alta velocidad para este tipo de producción está implicado

en la fase de semiacabado y acabado de las figuras, así como, igual que

anteriormente, en la fabricación de electrodos para EDM.

Partiendo del diseño en CAD 3D de la figura a fresar, por un lado se

generan los programas de desbaste para fresado convencional y por otro

los programas de semiacabado y acabado para terminar la figura

aplicando la técnica de alta velocidad.

Paralelamente a estos trabajos, al igual que en el caso anterior, se

generan los programas de mecanizado de los electrodos y se fresan

estos.

Posteriormente al proceso de fresado de desbaste y erosion se trata la

pieza y se realiza el semiacabado y acabado en una fresadora de alta

velocidad. Las ventajas que aporta el realizar el semiacabado y acabado

aplicando la técnica MAV son por un lado la reducción drástica de tiempo

de fresado, ya que si entendemos como rendimiento el ratio superficie

barrida por la herramienta por unidad de tiempo, una fresadora de alta

velocidad puede rendir del orden de cuatro veces más que una fresadora

CNC convencional, y por el otro, el aumento de la calidad obtenida y las

ajustadas tolerancias dimensionales implican una reducción del tiempo

de pulido y ajuste del orden de 50% al 80% según cada caso en

particular.

La inversión económica que se realiza en estos casos para la

implantación de esta técnica en un taller es muy elevada, ya que una

fresadora grande, de bancada fija tipo puente con unas características

dinámicas adecuadas para trabajar a Alta Velocidad tiene un coste de

adquisición alto, pero como contrapartida, los resultados de

productividad suelen ser más inmediatos que en el caso de producción



de piezas de tamaño pequeño.

3. Ejemplos de aplicación realizados en la Fundación ASCAMM:

4.1. Placa de figura de doble cavidad para inyección de termoplástico

CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 3 y 4)

Material pieza: Acero 1.2419 (ARNE)

Dureza: 60 HRc

Dimensiones de la placa: 180 x 80 x 30 mm

Funcionalidad: Cavidad de molde para inyección de termoplástico

Especificaciones de acabado: Pulido Herramienta mínima exigida por la

geometría: R = 0 mm

Herramienta mínima utilizada: R = 1 mm

Tiempo de fresado: 150 min.

La fabricación de esta pieza se ha realizado en un 95 % de su totalidad

mediante la técnica de mecanizado de alta velocidad, el 5% restante es

indispensable realizarla mediante la tecnología EDM ya que existe una

arista viva interior generada por planos inclinados.

4.2. Electrodo de cobre electrolítico para mecanizado por EDM

CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 5)

Material pieza: Cobre electrolítico

Dureza: ————

Dimensiones del bloque: 120 x 60 mm

Funcionalidad: Electrodo para proceso EDM

Especificaciones de acabado: Pulido

Herramienta mínima exigida por la geometría: 4 mm

Tiempo de fresado: 143 min

Foto 5

La principal dificultad a la hora de fresar esta pieza viene dada por la

esbeltez de las agujas que la conforman, ya que por el efecto de las

vibraciones que se generan en la propia pieza se pueden doblar con



mucha facilidad. La reducción del tiempo de mecanizado era el objetivo

principal del ensayo.

4.3. Placa figura punzón para molde inyección de plástico


Material pieza: Acero 1.2344

Dureza: 54 HRc

Dimensiones del bloque: 245 x 196 x 70 mm

Funcionalidad: Figura punzón molde



Tiempo de fresado: 20 horas

Foto 6

Esta pieza, a pesar de su tamaño, se realizó el desbaste, semiacabado y

acabado con el acero ya templado. El volumen de viruta que había que

arrancar no justifica el realizar el desbaste con el acero endurecido, pero

el objetivo de este ensayo fue validar el tiempo de vida de la herramienta

en condiciones de desbaste. El resultado de este ensayo resultó muy

satisfactorio, ya que la misma herramienta realizó el desbaste y el

semiacabado sin mostrar un deterioro de los filos de corte demasido

importante después de estar trabajando durante 16 horas.

4.4. Pieza para validación de estrategias de desbaste


Material pieza: Acero 1.2419

Dureza: 58-60 HRc


Funcionalidad: Ensayo validación estrategias de desbaste



Tiempo de fresado: 22 horas

Foto 7



Esta pieza se diseño especificamente para validar estrategias de fresado

de desbaste. Como características geométricas consta de superficies en

tres dimensiones, cajeras con islas y planos inclinados, ranuras, paredes

verticales, etc. El material seleccionado, un acero para trabajo en frio

templado a 58-60 HRc es lo suficientemente exigente con la herramienta

como para que se ponga de manifiesto de un modo determinante una

no adecuada trayectoria de esta.

4.5. Electrodo de grafito biela


Material pieza: Grafito (tamaño medio de grano 4m)



Funcionalidad: electrodo para proceso EDM




Foto 8

4.6. Electrodo de grafito nervio

CARACTERÍSTICAS PIEZA (Foto 9 y foto 10)

Material pieza: Grafito (tamaño medio de grano 4m)



Funcionalidad: electrodo para proceso EDM


Herramienta utilizada: 6 mm


Foto 9

Foto 10

Durante el fresado del electrodo de grafito que se muestra en la imagen,



se puso de manifiesto el problema de vibraciones que tiene lugar cuando

se mecanizan paredes delgadas. Se experimentó que es mucho más

eficaz para reducir la generación de vibraciones la utilización de

herramientas planas que con radio, ya que la componente de corte

lateral que tiene lugar con las herramientas de radio se empuja a la pieza

y se provoca una vibración de alta frecuencia.

4. Conclusiones:

El fresado a alta velocidad es una técnica que aporta unas ventajas muy

significativas a los procesos de fabricación y al producto obtenido en los

talleres moldistas y matriceros.

La implantación de esta técnica en los talleres tendrá unas lineas de

actuación distintas según sea el tipo de útil que se produzca, tal y como

se ha comentado anteriormente.

En todos los casos, pero, es necesario reestructurar la oficina técnica y

modificar los procesos de fabricación para adaptarse a las nuevas

exigencias de programación en CAM, tiempos de máquina, tiempos de

pulido, etc, ya que independientemente de la tipología de producción de

moldes y matrices que se realice, la disminución de tiempos globales de

fabricación y el aumento de la calidad del producto pone de manifiesto

que el esfuerzo, tanto económico como humano que se efectue para

llevar a cabo dicha implantación, se verá recompensado en un plazo más

o menos corto de tiempo.

5 • PRODUCCION MECANICA. Febrero 2000

El mecanizado de alta velocidad en la fabricación de estructuras

aeronáuticas

Una aplicación clara del mecanizado de alta velocidad es la fabricación de

estructuras aeronáuticas. La tendencia es cada vez más hacia el diseño

de componentes monolíticos, reduciendo al máximo el número de partes

ensambladas, disminuyendo el peso y obteniendo un comportamiento



mecánico más homogéneo. En este tipo de piezas se elimina hasta un

95% del peso del bloque inicial.

Esto conlleva tener que eliminar una gran cantidad de viruta en un

tiempo mínimo. Además, las piezas finales están compuestas por zonas

de poca rigidez, lo cual dificulta su mecanizado.

Hasta hace poco, muchas de estas piezas eran producidas basándose en

anteriores experiencias y técnicas de prueba y error. El trabajo que se

está realizando desde Margune en este ámbito busca optimizar la puesta

a punto del mecanizado de este tipo de estructuras.

Como se puede observar en la figura 1 (a), las geometrías típicas se

componen de paredes delgadas y de membranas o suelos delgados, que

conforman cajeras y demás geometrías según su disposición.

1. Paredes Delgadas

La resolución del problema estático pasa por minimizar el esfuerzo

normal a la pared y aprovechar al máximo la rigidez de la pieza. Para ello

se han tenido en cuenta diferentes factores. Entre otros:

* Una correcta trayectoria de corte (b). Se escoge una trayectoria

escalonada de modo que en cada pasada exista soporte por el lado

opuesto de la pared.

* Un espesor óptimo previo al acabado (c). Si el espesor antes de

terminar la pared es muy pequeño el efecto del punto anterior se

minimiza y si es muy grande aumentan los esfuerzos de corte.

* Una buena elección del sentido de avance. Tras simular en el software

Cut-Pro, se determina que cortando en oposición la distribución de las

fuerzas es más favorable que en concordancia, ya que en el segundo

caso predomina la componente perpendicular a la pared.

Respecto al problema dinámico, se han de tener en cuenta, tanto la

vibración forzada (por la frecuencia de golpeteo de los dientes) como la

autoexcitada (chatter). En el segundo caso, se puede dar chatter de

máquina-fresadora durante el desbaste y chatter de la pieza en fases del

mecanizado cercanas a la geometría final (muy poco rígida). Hay que

estudiar los lóbulos de estabilidad (d) que definen condiciones de corte



libres de chatter en función del régimen de giro del cabezal (rpm) y de la

profundidad axial (ap). Además se monitoriza el sonido producido en el

corte para poder detectar problemas dinámicos analizando la señal en

frecuencia (e).

Figura 1. Pieza monolítica (cedida por AEROMAC) y mecanizado de

paredes delgadas.

Para reducir el número de ensayos, se realizan simulaciones sobre

modelos de elementos finitos en los diferentes estados de la pared y así

valorar la conveniencia de unas condiciones frente a otras (f).

Con el objeto de minimizar los efectos de los problemas estáticos y

dinámicos, se utilizan herramientas con mango rebajado (g), de forma

que si la pared flecta no colisione con la herramienta generando marcas.

Se han conseguido mecanizar con éxito paredes de 300 x 50 x 0.3 mm.

(h)

2. Suelos delgados

En este caso se ha estudiado tanto el mecanizado de los mismos

utilizando utillajes con sistema de vacío como hacerlo con la pieza en

voladizo ya que, según la geometría de la pieza o la disponibilidad del

fabricante, no siempre se podrá utillar la pieza con apoyo a lo largo del

suelo.

Figura 2. Mecanizado de suelos y pieza real cedida por CASA-EADS.

La metodología seguida es similar a la expuesta en el análisis de las

paredes delgadas. Las dimensiones de los suelos analizados son 315 x

115 mm, siendo el espesor de los mismos diferente en el caso emplear

vacío, 0.5 mm, y el caso de mecanizado con el suelo en voladizo, 2 mm.

En la figura 2 se muestra una de las estrategias de corte diseñadas para

el mecanizado de suelos (a). También se pueden observar dos utillajes de

vacío utilizados: El b diseñado para las probetas de prueba y el c para

una pieza real cedida por CASA-EADS (d) que se ha mecanizado según las

estrategias definidas, con y sin vacío.



Proceso híbrido de mecanizado de alta velocidad/mecanizado láser para

la fabricación de moldes

La implantación de la tecnología del mecanizado a alta velocidad en las

líneas de producción de moldes ha permitido obtener una reducción

considerable en el tiempo de fabricación y una mejora en el acabado

superficial. Pero, todavía existen problemas respecto a la limitación del

diámetro mínimo de herramienta y la necesidad de controlar el desgaste

y rotura de herramienta que se puede producir durante la operación de

fresado. En este sentido, el mecanizado láser presenta la oportunidad de

mejorar el proceso de fabricación actual de moldes al poder disponer de

una herramienta de muy pequeño diámetro y que no sufre desgaste

alguno. Por todo ello, el proceso combinado de fresado a AV y

mecanizado láser podría ser la solución, siendo este nuevo proceso

híbrido adecuado para la obtención de moldes con complejos detalles.

I. Etxeberria, I. Etxarri, G. Alberdi, J. Etxeberria.

Fundación Tekniker

Este trabajo presenta el estudio del proceso de mecanizado láser

realizado sobre un acero de moldes (X153CrMoV12) con el objeto de

determinar los parámetros de proceso más adecuados. Como requisitos

de proceso se consideran el acabado superficial y el tiempo de

mecanizado. Así mismo, la metodología del Diseño de Experimentos

permite identificar los parámetros de proceso más influyentes y su

relación con los resultados obtenidos.

Los fabricantes de moldes sufren cada vez mayores exigencias por parte

del cliente final, en cuanto a calidad, precisión, y coste de la pieza final.

Ello conlleva que estén continuamente buscando soluciones de mejora

del proceso de fabricación. A su vez, los fabricantes de máquina

herramienta están introduciendo nuevas tecnologías que permitan

obtener máquinas híbridas, capaces de llevar a cabo operaciones de

distinta índole en la misma máquina.

Aunque, las herramientas de corte actuales superan con creces las



limitaciones que tenían hace unos años, pudiendo disponer fácilmente

de herramientas de fresado de diámetros de hasta 0.5mm, las exigencias

propias de las máquinas para dichas herramientas son muy altas.

Además, puede que se produzcan desgastes y/o roturas de herramienta,

o no se maximicen los ratios de producción.

El haz láser presenta la gran ventaja de ser una herramienta de trabajo

sin contacto, de diámetro muy pequeño, que no sufre ni roturas, ni

desgastes durante el proceso de mecanizado.

Al combinar las tecnologías del mecanizado y el láser en una misma

máquina, se obtiene una máquina híbrida capacitada para llevar a cabo

operaciones complementarias entre sí. La máquina DMU60L de Deckel

Maho, disponible en Tekniker es un claro ejemplo de máquina híbrida

fresado/láser.

En este artículo se recoge el estudio realizado en la búsqueda y

obtención de los parámetros de proceso más adecuados del mecanizado

láser. Se identifican dichos parámetros de proceso y se relacionan con

los resultados. El estudio presentado es un estudio que se ha llevado a

cabo específicamente para la máquina DMU60l.

Se planifica una amplia batería de experimentos, que tienen por objeto

identificar los parámetros de proceso que presentan el mejor resultado

en cuanto a acabado de pieza (menor rugosidad), y tiempo de

mecanizado (menor tiempo de mecanizado).

1. Procedimiento Experimental

2.1. Equipamiento disponible

El equipamiento disponible en Tekniker, tal y como se muestra en la

figura 1, es una fresadora modelo DMU60L de Deckel Maho, que dispone

de dos cabezales: cabezal de Mecanizado a Alta Velocidad y cabezal láser.

2.2. Cabezal de fresado a Alta Velocidad

Cabezal de 28kW de potencia que permite llevar a cabo el mecanizado a

alta velocidad, pudiendo trabajar hasta a 18.000rpm, con una velocidad

de avance de trabajo de 25m/min.

2.3. Sistema Láser



Se dispone de un láser pulsado en estado sólido de Nd:YAG, con una

longitud de onda de 1,064ºm, bombeado por lámpara, cuya potencia

media es de 100W, y que ajustando la frecuencia del Q-Switch puede

conseguir potencias de hasta 20kW.

El cabezal láser dispone de:

• Palpador: permite medir la profundidad mecanizada.

• Cámara de visión: permite la precisa colocación de la pieza.

• Escaner de espejos: crea un área de trabajo de aproximadamente

70mm2.

Cuando se requiere un área de trabajo mayor, la máquina realiza

desplazamientos en sus ejes X-Y, según las necesidades del haz láser.

Se dispone de la opción de elegir el tamaño del diámetro del haz:

• Pequeño: 40ºm.

• Grande: 100ºm.

Figura 1. Máquina híbrida DMU60I

2.4. Software

El cabezal láser se controla mediante la aplicación LaserSoft 3D,

realizándose también la búsqueda de los parámetros de proceso

mediante este control.

A su vez, los programas de mecanizado son creados mediante la

aplicación LPSWin.

Dicha aplicación permite, tal y como se indica en la figura 2, partiendo de

un fichero CAD (volumen 3D), crear ficheros “tpf” que contienen las

estrategias de mecanizado y los parámetros de proceso asignados, todo

ello por capas. Por último, se crean unos programas “l4d”, que crean

trazos láser compatibles con la máquina.

2. Estudio del proceso

3.5. Material

El material estudiado es un acero de herramientas para trabajo en frío,

de calidad X153CrMoV12, que presenta un estado de temple y revenido,

con una dureza de 46 HRc.



La forma de las probetas es rectangular, con dimensiones 80x70x20 mm,

que posibilitan su posterior caracterización en el microscopio electrónico

de barrido (SEM) y en el microscopio confocal.

Procedimiento experimental

El procedimiento seguido en la realización de la experimentación

consiste en la definición de unos parámetros de proceso iniciales,

suministrados por el fabricante, que se van optimizando según los

resultados obtenidos.

El objetivo es que los valores de rugosidad y tiempo de mecanizado sean

tan pequeños como sea posible.

De entre todos los parámetros de proceso, se eligen como variables

independientes a estudiar:

• Espesor de capa.

• Distancia entre haces.

• Velocidad del haz.

Se define un círculo de 5 mm de diámetro como forma geométrica a

mecanizar.

Previamente al mecanizado del círculo, se lleva a cabo una búsqueda de

tecnología, donde se ajustan los parámetros (frecuencia, intensidad,

parámetro First Pulse Killer (FPK)) para el material objeto de estudio.

Analizando las tendencias, y resultados obtenidos, se han ido ajustando

los parámetros hasta obtener valores de rugosidades adecuados.

En cuanto a la caracterización de las probetas, mediante un Perfilómetro

sin contacto de la marca PLº se han obtenido imágenes confocales que

permiten medir la rugosidad.

A su vez, mediante el microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-

5600LV, se han obtenido fotografías de la calidad superficial.

Figura 2. Creación de programa de mecanizado.

3.6. Resultados experimentales

La forma a mecanizar es un círculo de 5mm de diámetro. Para cada

grupo de parámetros de proceso, se han realizado tres repeticiones, con



el objeto de valorar la repetitibilidad de los resultados obtenidos. Dos de

los ensayos se han realizado con una profundidad de mecanizado de

0,2mm, mientras que el tercer ensayo se ha llevado a cabo con una

profundidad de 0,4mm.

Debido a que el objetivo inicialmente propuesto era mejorar la rugosida,

al constatar que a diferente valor de profundidad de mecanizado, el valor

de la rugosidad obtenida varía, la mayor parte de la experimentación se

ha realizado con una profundidad de 0,2mm.

Los parámetros de proceso iniciales son los indicados por el fabricante

de la máquina para un acero común, y figuran en la tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de proceso iniciales

El valor de la rugosidad Ra obtenido con estos parámetros es de

aproximadamente 2,2 micras. La imagen de la figura 4 muestra una

imagen de rugosidad obtenida con el microscopio confocal para estas

condiciones iniciales.

Figura 3. Imagen de la rugosidad



En cuanto al tiempo de mecanizado, con las condiciones de proceso

iniciales se necesitan 12 minutos para el mecanizado de la forma

geométrica definida.

Después de una extensa experimentación, se consigue un conjunto de

parámetros de proceso, con el que se obtiene una Ra de

aproximadamente 1ºm. En la figura 5 se muestra una imagen

correspondiente a este valor de rugosidad.

Se han obtenido diferentes grupos de parámetros de proceso que nos

dan una rugosidad de aproximadamente 1ºm, habiendo entre ellos

diferencia en cuanto al tiempo de mecanizado. El tiempo de mecanizado



varía de 25 minutos a 42 minutos.

A su vez, el menor tiempo de mecanizado se consigue con una

combinación de parámetros que presenta una rugosidad de

aproximadamente 3,4ºm, que se muestra en la imagen de la figura 6.

Por último, se han comparado las imágenes obtenidas con el

microscopio electrónico de barrido, donde se puede apreciar que la

superficie obtenida con las condiciones que presentan la rugosidad más

pequeña es más uniforme que cuando la rugosidad tiene un valor más

grande.

En el caso del mecanizado en menor tiempo, se aprecian unos agujeros

en la superficie mecanizada.

Figura 6. Imágenes obtenidas con SEM: a) condiciones iniciales, b) mejor

rugosidad, c) menor tiempo

3. Mecanizado de Molde Ejemplo

Por último, se muestra un molde ejemplo mecanizado mediante la

tecnología híbrida. El material mecanizado es el mismo acero que el

estudiado mediante experimentación.

Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte,

realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de

acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser.

En las siguientes tablas y figuras se muestran las parámetros de proceso

utilizados, y las imágenes del molde en diferentes fases de su fabricación.

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø2mm, con 4 filos de corte

Tabla 1. Operación de desbaste

Figura 7. Molde después del desbaste

Herramienta cilíndrica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte

Herramienta esférica de metal duro de Ø 1 mm, con 2 filos de corte



Tabla 2. Operación de acabado

Figura 8. Molde después del acabado

Parte del molde se mecaniza mediante herramienta de corte,

realizándose una primera operación de desbaste, y una posterior de

acabado. Se completa el mecanizado mediante el haz láser

Los detalles más pequeños, como los que se muestran en la figura 9, se

mecanizan por láser.

Figura 9. Detalles mecanizados por láser

4. Conclusiones

Como conclusión general, mencionar que el proceso híbrido de

mecanizado por arranque de viruta y mecanizado láser es factible para la

obtención de moldes con formas geométricas pequeñas y complejas.

La operación de fresado a alta velocidad consigue una tasa alta de

arranque, mientras que el mecanizado láser permite la obtención de

pequeñas figuras complejas.

De todas maneras, es necesario realizar un estudio de viabilidad por

cada una de las piezas de interés, debido a que el láser es un proceso

muy lento, y no es válido para el mecanizado de profundidades a partir

de 5 mm.

Como conclusiones particulares del proceso que se obtienen, después de

analizar las tendencias seguidas por los resultados en función de los

parámetros de proceso, son:

Rugosidad

• A menor espesor de capa, menor es el valor de la rugosidad.

• A menor valor de distancia entre haces, menor es el valor de la

rugosidad.

• La velocidad no influye mucho en el valor de la rugosidad.

• La rugosidad obtenida con el haz de mayor diámetro, es peor que con

el diámetro pequeño.

• A menor profundidad de mecanizado, menor es la rugosidad.



Tiempo

• El diámetro del haz no influye en el tiempo de mecanizado, para el

mismo valor de h.

• El tiempo de mecanizado es menor, cuando el espesor y la distancia

entre haces es mayor.

Agradecimientos

Se agradece a la convocatoria Etortek del Gobierno Vasco, la subvención

realizada al CIC Margune, que ha permitido abordar nuevos procesos de

fabricación, entre los cuales se encuentra el Mecanizado Híbrido

Fresado/Láser.

La electroerosión frente al mecanizado de alta velocidad

El mecanizado de alta velocidad (MAV) es uno de los temas favoritos en

las discusiones actuales sobre las tecnologías modernas de fabricación,

ya que este proceso ha avanzado sustancialmente desde hace poco. Sin

embargo, las inversiones en procesos de manufactura tienen un tiempo

de vida largo e influyen en la rentabilidad, calidad y tiempo de

fabricación. Los nuevos procesos de manufactura no cubrirán nunca

todas las demandas de todas las aplicaciones, y deben ser confrontados

con alternativas. Este artículo presenta una comparación objetiva entre el

mecanizado de alta velocidad y la electroerosión, en términos de sus

capacidades técnicas, económicas y ecológicas, con el fin de ayudar a los

inversores a encontrar una base de decisión fiable. Se propondrá una

pieza de referencia típica para evidenciar las aplicaciones características

para la electroerosión, en comparación con las referencias existentes

para mecanizado de alta velocidad.

Las herramientas para formar “piezas en forma de red” en un único paso

de fabricación, como por ejemplo el “moldeado por inyección”,

“estampación con matriz”, “moldeado por inyección de metal” y otras se

están convirtiendo en las tecnologías de producción claves. Para que las

herramientas de mecanizado sean efectivas en comparación con otras

tecnologías, se necesita una mayor flexibilidad para el cambio, sistemas



de cambio más rápidos, producción de series cortas a bajo coste y – lo

más importante – una excelente organización y velocidad en la

fabricación de herramientas dedicadas e innovadoras. Sería ideal que las

herramientas utilizadas duraran con facilidad lo suficiente para producir

series cortas y medias, y que mantuvieran la precisión en las secciones

delicadas, gracias a un bajo desgaste. Esto implica realizar herramientas

de materiales ultraduros.

Desde hace varios años los investigadores de producción mecánica

trabajan intensamente en la optimización del diseño de herramientas

para procesos de deformación, y en la innovación y mejor adaptación de

las tecnologías de mecanizado de acuerdo con los requisitos prácticos. La

electroerosión comenzó en 1954 para aplicaciones prácticas y desde

entonces ha crecido hasta adoptar la posición de tecnología común y

bien aceptada en los talleres de fabricación de herramientas y utillajes.

Tanto la versión de electroerosión por penetración, cómo la

electroerosión por hilo están bien introducidas y se aplican con

normalidad. Su inconveniente es la complejidad inherente a esta

tecnología. [4] Dado que la formación profesional en electroerosión se

ofrece en contadas ocasiones, en la mayoría de los talleres estos

procesos se aplican a partir de “recetas de cocina” adaptadas

empíricamente por los propios usuarios.

Las tecnologías de fresado y, en general, de arranque de viruta se usan

desde hace mucho más tiempo y tanto su enseñanza como su

documentación son mejores. El arranque de material ha recibido un

nuevo impulso y ha ganado interés desde la introducción del MAV

(Mecanizado de Alta Velocidad). [1-3].

1. Desarrollos en fresados de alta velocidad

Desde que los ajustes utilizados para el rectificado (alta velocidad de

corte, tamaño de viruta pequeño, mayor ángulo de cizallamiento) fueran

introducidos en el fresado, junto con un ángulo de herramienta bien

definido, se ha hecho posible el mecanizado de materiales duros o

endurecidos; con una tasa de eliminación de material incrementada y,



además, ganando en un acabado superficial muy fino. Las herramientas

usadas, sin embargo, necesitan ser fabricadas a partir de los materiales

con mayor resistencia al desgaste, como el carburo de tungsteno, por

ejemplo. Estas herramientas muestran un riesgo de daño mayor y un

tiempo de vida más corto. El fresado de alta velocidad requiere una

planificación más cuidadosa y una mejor orientación del ángulo de

mecanizado en relación a la superficie, para conseguir la alta velocidad

de corte en la periferia de la herramienta, mientras que el centro de

rotación tiene velocidad nula. También hay limitaciones de diseño

respecto al husillo. Velocidades de 18.000 a 25.000 rpm son comunes,

pero al usar herramientas de pequeño diámetro, son deseables

velocidades de 60.000 a 80.000 rpm. El centro de mecanizado no sólo

necesita husillo de alta velocidad, sino además su cuerpo debe ser rígido,

libre de vibraciones, y con guías y actuadores rápidos. La variación del

ángulo de mecanizado es posible sólo en máquinas que llegan a tener 7

ejes programados. Ello requiere de CNC especiales, y de largos ciclos de

programación y comprobación de ausencia de colisiones. Durante el

procesado, en una situación ideal se monitorizan el desgaste de la

herramienta y las fuerzas de corte. Las figuras 1 a 3 ofrecen una vista de

conjunto de las aplicaciones tecnológicas. La figura 4 muestra dos piezas

de referencia propuestas en Alemania.

Fig. 1: Ajustes tecnológicos del fresado en 3 dimensiones

Fig. 2: Mecanizado de Alta Velocidad: ejemplos típicos

La viruta transporta el calor gracias a un ángulo de cizallamiento elevado

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

2. Puntos fuertes en la aplicación de procesos de electroerosión

Las descargas eléctricas, las herramientas en los procesos de

electroerosión, encuentran su camino en la brecha de mecanizado (“gap”)



rellena de dieléctrico en cualquier dirección por autoignición. El proceso

aplica calor y presión. En consecuencia, es independiente de la fortaleza

mecánica de la pieza. Esto permite el mecanizado de cualquier forma,

incluso cortes sesgados o grabados en la pieza. Si la geometría formada

directamente por copia de un electrodo-herramienta (electroerosión por

penetración) o indirectamente por un camino de herramienta

programado (electroerosión por hilo) no producen el resultado deseado,

puede aplicarse cualquier movimiento superpuesto. Los ejemplos más

conocidos son penetración planetaria y corte por hilo en ángulo.

Puesto que el electrodo-herramienta puede moverse por medio de CNC

en cualquier dirección vectorial cartesiana, las instalaciones de

electroerosión no requieren más de 4 ejes operables simultáneamente.

Son, por ello, relativamente fáciles de programar. La figura 5 muestra lo

intricadas que pueden llegar a ser las geometrías mecanizadas por

electroerosión. Son el resultado de la capacidad de las chispas de

encenderse en cualquier dirección, y de la posibilidad de copiar la

geometría de los electrodos, de generar nuevas formas por medio de

movimiento CNC vectorial de electrodos con forma y de superponer

movimientos a operaciones programadas. Finalmente, también de la

capacidad de secuenciar el mecanizado de secciones de geometría

parciales o de combinar una pluralidad de grabados en una operación de

electro mecanizado utilizando electrodos en forma de bloque.

La figura 6 muestra una instalación de electroerosión por penetración ZK

600 con equipo completo, que incorpora intercambio de herramientas y

alimentación de piezas paletizada, diseñada para uso 24 horas al día 7

días por semana. La planificación del trabajo y el control de los intervalos

de mantenimiento deben organizarse para que se ejecuten durante los

turnos de día, a pesar de las largas series de mecanizado. De otra forma,

se pierde la mayor parte de la ventaja económica.

Fig. 5: Mitades de molde electroerosionadas para terminales de fijación

moldeados por inyección



3. Propuesta de evaluación de una pieza para electroerosión

A nivel de taller, sería ideal disponer libremente de las tecnologías de

MAV y electroerosión y usar sus ventajas allí donde sean aplicables. Las

inversiones para ambos tipos de equipos, sin embargo, son todavía

elevadas y las capacidades de fabricación de ambas deben usarse

completamente si se requiere un buen equilibrio económico y

competitivo. Las empresas pequeñas y medianas deben pues decidir de

acuerdo con sus preferencias. Las figuras 8 y 9 muestran argumentos

para comparar ambas tecnologías.

La electroerosión por penetración requiere siempre de la preparación de

electrodos, bien sea de cobre o grafito. En muchas ocasiones son

fresados. Por ello, algunas empresas invierten primero en equipos de

fresado. Normalmente los electrodos muestran una forma convexa. El

material y la geometría facilitan el procedimiento de mecanizado. El corte

por electroerosión ofrece buenas alternativas para la preparación de

electrodos, si se precisa de un afilado fino.

Para facilitar las decisiones de inversión de los fabricantes de

herramientas y para referirse más a requisitos geométricos, se propone

una pieza de referencia para la electroerosión (ver figura 10). Dicha pieza

ofrece una pluralidad de formas típicas, que se mecanizan

favorablemente por electroerosión por penetración o en combinación.

Pieza de referencia para electroerosión por penetración

El objetivo de la pieza de referencia no es su fabricación completa.

Pueden seleccionarse, para prueba o investigación, una de las

geometrías típicas. La amplia abertura en el centro debería ser fresada o

taladrada antes de templar el bloque, para evitar cualquier tensión

residual a través de esta sección. Dos electrodos de grafito planos fijados

de una estacada a la distancia necesaria se usarán luego para erosionar

las caras laterales. Un electrodo de grafito fresado con la plaqueta frontal

(5 x 5 mm / prof. 2,5 mm) será usada a continuación para acabar la

abertura. El ejemplo de abertura en forma de túnel se erosiona en la



dirección correcta combinando los ejes Z+ e Y- y por medio de un

electrodo de cobre.

Fig. 6 Instalación para electroerosión por penetración

para electrodos-herramienta autónomos e intercambio de piezas

Las ranuras con una relación profundidad / anchura muy elevada pueden

ser erosionadas con electrodos de grafito y con limpiezas (flushing)

temporizadas, rectificados planos con el adecuado exceso (negativo).

Para el ángulo de 90° puede usarse dos electrodos planos fijados al

soporte adecuado. También se propone el uso de un electrodo de grafito

para erosionar la ranura perfilada. Este electrodo se fabrica por fresado

de una barra de grafito sólido, fijada a un portaherramientas, y usando

un control numérico con control de trayectoria (ver figura 11).

Los dos grabados en forma de “cruz suiza” pueden usarse para

comprobar el uso de cobre o grafito. El electrodo necesario puede verse

también en la figura 11. Si se fresa con un equipo moderno de 5 ejes, se

necesita 1,5 h de trabajo, excluyendo la programación.

En un lado de la pieza de referencia se muestra una serie de ranuras de

cola de milano. Estas formas se usan para unir piezas complementarias.

El electrodo puede fresarse plano con facilidad. Todas las ranuras

paralelas se erosionan de una vez. El perfil de la esquina derecha de la

fotografía es un ejemplo para el mecanizado de formas complejas

siguiendo una trayectoria. El electrodo es simplemente torneado a partir

de cobre o grafito y puede rectificarse con facilidad, si la combinación de

diámetros lo permite. Esta operación evita la fabricación de una

herramienta especial, y del tiempo y coste asociados.

Fig.10: Pieza de referencia para electroerosión por penetración

Fig. 11: Ejemplos de electrodos para electroerosionar la pieza de

referencia



4. Posibilidades de combinación

La descripción de las diferentes características de la “Pieza de referencia

para electroerosión” han evidenciado la posibilidad de combinar las

tecnologías de MAV y EDM. Cuando ambos procesos pueden efectuarse

bajo el mismo techo, es la opción recomendable. De otra forma, los

electrodos de perfil de cobre o grafito pueden fabricarse así mismo por

electroerosión usando el hilo como electrodo. Las opciones de corte

inclinado también permiten el mecanizado de caras ligeramente

inclinadas, o bien cortes posteriores permiten crear piezas

tridimensionales. Existe tres modos de combinar la aplicación de la

electroerosión por penetración y el fresado de alta velocidad:

* Fresar las formas amplias de una herramienta, como por ejemplo, una

matriz para formar combinaciones de parachoques y spoiler;

seguidamente, la erosión por penetración realiza las ranuras, soportes y

detalles complicados

* Utilizar el fresado de alta velocidad para la preparación de electrodos.

Los materiales usados para fabricar electrodos son más fáciles de

mecanizar que un acero endurecido y las formas exteriores son

fácilmente accesibles por cualquier fresadora (ver figuras 12 y 13)

* Utilizar operaciones de fresado “basto” (taladrado) o de ranurado para

la preparación de bloques bastos antes de su temple para evitar

posteriores deformaciones por tensión

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

terminal de fijación

Fig. 13.- Bloque de electrodos fresado en alta velocidad con diversas

aletas largas para erosionar un molde

5. Conclusiones

Este artículo trata de los criterios técnicos para delimitar dos tecnologías

de fabricación: fresado de alta velocidad y electroerosión por

penetración. Cada método domina un área de aplicación en función de



las dimensiones y la estructura de las formas a producir. Como es común

en los procesos de producción, entre tecnologías en competición existe

también una razonable área de solapamiento. Las decisiones

económicas darán prioridad a un método u otro en función de las

limitaciones monetarias en la instalación de ambos. Las sobrecargas

temporales en una máquina o dificultades causadas por cambios súbitos

en los programas de producción pueden también condicionar las

prioridades.

En un resumen breve, podría decirse que el MAV ofrece la máxima

velocidad de eliminación de material combinada con una excelente

calidad de superficie, y una tolerancia un poco menor para grabados

esencialmente planos y grandes volúmenes de producción. La

electroerosión por penetración encuentra su campo de aplicación por

excelencia son las formas con ranuras profundas, complejas e intricadas

y también en las aplicaciones que llegan a dimensiones micro.

Ambas tecnologías muestran en el mercado todavía una gran capacidad

de innovación y progreso. Así pues, es necesario mantenerse informado

continuamente sobre las nuevas tendencias y desarrollos.

Recomendamos una comparación cuidadosa para las inversiones a largo

plazo.

Fig. 14.- Áreas de partición para el mecanizado en baja y alta velocidad y

la electroerosión en función del tamaño de la herramienta y la dureza de

la pieza

6. Bibliografía

[1] 1996 Schulz, H.: “Hochgeschwindigkeitsbearbeitung” (Mecanizado de

alta velocidad); Carl Hanser Verlag, Múnich, ISBN 3-446-18796-0

[2] 1999 Schmid, U. “HSC am harten Werkstück und an der weichen

Elektrode” (Mecanizado de alta velocidad de piezas duras y con

electrodos blandos) - Maschinenfabrik W. Fehlmann AG, CH-5703 SEON

www.fehlmann.com

[3] 1999 Benchmark-Werkstück HSC (Pieza de referencia para



Mecanizado de Alta Velocidad); Makino/Alphacam.

Alphacam, Wienerstrasse 33, D-73614 Schorndorf, www.alphacam.de

[4] 1988 Schumacher, B.; Weckerle, D.: “Funkenerosion, richtig verstehen

und anwenden” (Electroerosión: buena comprensión y aplicación),

Technischer Fachverlag K. H., Möller, D-5620 Velbert, ISBN 3-9801934-0-3

Seguridad en máquinas de alta velocidad

Manual de seguridad laboral para máquinas-herramienta de trabajo de

los metales en frío

La Fundación Invema, junto a Osalan, el instituto vasco de seguridad y

salud laboral, han elaborado un manual-guía de recomendaciones para

que, tanto los fabricanbtes de máquinas como, especielmente, sus

usuarios, cumplan con las disposiciones mínimas de seguridad

contenidas en el anexo I Real Decreto 1215/97.

El manual consta de dos partes: en la primera se dan soluciones de tipo

general para cada uno de los puntos del anexo I del mencionado RD; en

la segunda, se dan soluciones específicas para cada uno de los puntos de

dicho anexo en 27 tipos distintos de máquinas.

1. Disposiciones mínimas generales aplicables a las máquinas

2.1. Órganos de accionamiento

Los órganos de servicio de un equipo de trabajo deben ser claramente

visibles e identificables y, en caso necesario llevar un etiquetado

apropiado.

Colores indicativos:

-Puesta en marcha/puesta en tensión BLANCO

-Parada/puesta fuera de tensión NEGRO

-Parada de emergencia ROJO

-Supresión de condiciones anormales AMARILLO

-Rearme AZUL

Tipos de órganos de mando:

-Pulsador : Salvo el de parada deben de estar encastrados

-Pedal: Protegido contra accionamientos involuntarios

-Barra: No debe utilizarse salvo para la función de parada.



-Mando a dos manos: Debe tener sincronismo y eficaz contra el burlado.

Serán tipo pulsador.

Posicionamiento:

-Situados en la proximidad del puesto de mando y fuera de la zona de

peligro, salvo el de parada de emergencia.

-Desde el puesto de mando se dominará toda la zona de operación, en

caso contrario la puesta en marcha debe ser precedida de alguna señal

de advertencia acústica o visual.

2.2. Puesta en marcha

La puesta en marcha debe obedecer a una acción voluntaria del

operador sobre un órgano de accionamiento puesto a tal fin.

Tras un corte de energía (eléctrica, neumática, hidráulica,), su posterior

reanudación no deberá dar lugar a la puesta en marcha de las partes

peligrosas del equipo de trabajo.

Se debe impedir que un equipo de trabajo se pueda poner en marcha:

-Por cierre de un resguardo con dispositivo de enclavamiento.

-Cuando una persona se retira de una zona cubierta por un dispositivo

sensible, tal como una barrera inmaterial.

-Por la maniobra de un selector de modo de funcionamiento.

-Por el desbloqueo de un pulsador de parada de emergencia.

-Por el rearme de un dispositivo de protección térmico, salvo en ausencia

de riesgo.

En equipos de trabajo portátiles, el órgano de puesta en marcha deberá

ser tipo sensitivo, de forma que la parada tenga prioridad sobre la puesta

en marcha al soltar el órgano de mando.

2.3. Parada

La orden de parada debe tener prioridad sobre todas las demás.

Tipos de parada:

-Parada general: Todo equipo de trabajo debe tener una parada

CATEGORÍA 0 (supresión inmediata de la energía de los accionadores de

la máquina).

-Parada desde el puesto de trabajo: Esta función de parada está



destinada a permitir que un operador pueda parar el equipo de trabajo

cuando deba intervenir en una zona peligrosa, para una operación

puntual.

Este tipo de parada puede ser de:

Categoría 1: al ordenar la función de parada ésta se produce cuando el

equipo de trabajo se halla en posición de seguridad (por ejemplo cuando

termina el ciclo).

Categoría 2: al ordenar la función de parada el equipo de trabajo para

ese momento pero mantiene sus fuentes de energía activadas.

-Parada de emergencia: Un dispositivo de parada de emergencia debe

permitir parar una máquina en las mejores condiciones posibles, es

decir, mediante una deceleración óptima de los elementos móviles.

Esta parada puede ser de Categoría 0 o de Categoría 1 en función del

tipo de máquina.

El órgano de mando que permite obtener esta función de parada de

emergencia (pulsador de “manotazo”, cable, barra,...) debe ser de color

rojo y preferentemente colocado sobre un fondo amarillo.

En realidad, tratándose en particular de máquinas en servicio , la

colocación de un dispositivo de parada de emergencia sólo tiene sentido

en el caso de que el tiempo de parada que permite obtener sea

netamente más corto que el obtenido con la parada normal, lo que

requiere un frenado eficaz.

2.4. Caída de objetos y proyectores

Se pretende prevenir los riesgos mecánicos generados por la caída o la

proyección de objetos o materiales provenientes del equipo de trabajo.

Estos pueden ser objetos, cuya caída o proyección viene ligada al

funcionamiento del equipo de trabajo u objetos que de forma previsible

pueden salir proyectados o caer accidentalmente.

Las medidas preventivas a adoptar estarían destinadas a proteger no

sólo los operadores sino también a cualquier otra persona que pueda

estar expuesta a estos peligros.

Consistirían esencialmente en proveer a los equipos de trabajo de



resguardos fijos o móviles de adecuada resistencia y/o de colocar

obstáculos o cualquier oro medio para impedir que las personas

próximas puedan estar expuestas a estos riesgos.

En el caso de equipos de trabajo que manipulen piezas en suspensión se

tomarán medidas adecuada para evitar la caída de los mismos incluso en

caso de cortes de energía.

2.5. Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos

Cuando exista el riesgo en un equipo de trabajo de emisión de gases,

vapores, líquidos o polvos, como regla general se tratará de efectuar la

captación de los mismos en su origen, por lo cual se tratará de integrar

en el diseño de los resguardos o carcasas los elementos de captación y

extracción.

Se estudiará en cada caso particular el tipo de emisión existente y en

función de ello se diseñará el elemento extractor o captor y sus

características, tales como, instalación eléctrica , vía húmeda o seca,

mangueras, filtros, depósitos de recogida...

2. MEDIOS DE ACCESO Y PERMANENCIA

Cuando la utilización de un equipo de trabajo requiere la presencia de

uno o varios operativos sobre el mismo y en particular en zonas de

peligro de caída de altura de más de 2 metros, debe dedicarse una

especial atención tanto a los medios de acceso como a las zonas de

permanencia.

Las características de los medios de acceso, plataformas y barandillas se

realizarán de acuerdo a lo establecido en el Real Decreto 486/1997 sobre

lugares de trabajo.

3. ESTALLIDOS, ROTURAS

Se entiende que en un equipo de trabajo ya instalado, el riesgo de

estallido o rotura se deriva de un mantenimiento inadecuado o de un

envejecimiento de los materiales del equipo. Por ello, las medidas

preventivas a adoptar deberán ser:

-Respetar las condiciones de utilización de estos equipos tal como son

recomendada por los fabricantes.



-Dedicar un atento cuidado al mantenimiento, especialmente cuando no

es posible colocar resguardos eficaces.

4. ELEMENTOS MÓVILES

Los elementos móviles de un equipo de trabajo pueden ser elementos

móviles de transmisión o elementos móviles que intervienen en el

trabajo

Elementos móviles de transmisión:

Estarían en este grupo, los árboles de transmisión, correas, poleas,

rodillos, cadenas, cables, bielas.

Excepto para operaciones de mantenimiento, generalmente no es

necesario, durante el funcionamiento normal de una máquina, el acceder

a estos órganos en movimiento. Es preciso por tanto impedir que

puedan ser alcanzados. La solución más simple consiste en colocar

resguardos fijos que puedan aislar totalmente los elementos peligrosos o

bien impedir localmente el riesgo.

De ser necesario el acceder frecuentemente a ciertos órganos de

transmisión , es preciso recurrir a resguardos móviles equipados con un

dispositivo de enclavamiento o con dispositivos de sensor.

En la práctica las máquinas antiguas están a menudo equipadas con

resguardos móviles, sin enclavamiento eléctrico, que permiten acceder a

los órganos de transmisión de movimiento, este caso es particularmente

frecuente en numerosas máquinas-herramientas en funcionamiento.

Es preciso entonces:

O bien transformar este resguardo móvil en fijo si la frecuencia es

pequeña o bien equipar este resguardo con una cerradura con llave.

Equipar este resguardo con un dispositivo de enclavamiento asociado.

Elementos móviles de trabajo:

Son aquellos elementos que ejercen directamente una acción sobre el

material y desarrollan su actuación en la zona de operación.

Desde el punto de vista de prevención hay que considerar tres casos:

1- Que pueda hacerse totalmente inaccesible la zona de trabajo.

Para alcanzar este objetivo la solución más frecuente consiste en equipar



al equipo de trabajo con:

Resguardos fijos en las partes en las que no es necesario acceder más

que excepcionalmente o con poca frecuencia.

Resguardos móviles para permitir la carga y/o descarga manual de las

piezas. Estos deben estar asociados a un dispositivo de enclavamiento o

enclavamiento y bloqueo si los riesgos lo justifican.

Equipos de protección electrosensibles (ESPS), mandos bimanuales...

2- Accesibilidad parcial a los elementos móviles de trabajo.

Cuando no es posible impedir totalmente el acceso a los elementos

móviles de trabajo es preciso, como en el caso precedente, equipar con

resguardos fijos las partes de la zona de trabajo o del utillaje a las que no

es necesario acceder y colocar resguardos móviles, fácilmente

regulables , sobre la parte activa del elemento de trabajo.

3- Accesibilidad inevitable a los elementos móviles de trabajo.

En este caso las medidas que pueden tomarse para reducir las

consecuencias de un accidente son:

-Limitación de las velocidades

-Utilización de dispositivos de parada de emergencia dispuestos

estratégicamente junto al operario.

En operaciones especiales como cambio de utillaje , regulación, etc. En

los que hay que tener el elemento móvil accesible se deberá disponer de

medidas de protección complementarias, tales, como, mando sensitivo, a

impulsos , etc.

9- ILUMINACIÓN

El objetivo es asegurar en cada puesto de trabajo o de intervención un

nivel de iluminación adecuado teniendo en cuenta el trabajo a realizar y

la naturaleza del puesto. Es evidente que este nivel será muy diferente

según que se trate, por ejemplo, de un simple puesto de carga sobre

máquina o de un puesto de trabajo en micromecánica de alta precisión.

A título indicativo se tendrán en cuenta los niveles de iluminación

indicados en el anexo IV del R.D.. 486/1997 sobre lugares de trabajo.

Para alcanzar los niveles de iluminación adecuados se puede optar por:



-Utilizar la iluminación ambiente natural o artificial presente en el lugar

de trabajo, en la medida en que ésta sea suficiente.

-Colocar localmente en el puesto de trabajo un aparato adicional de

iluminación fijado en permanencia.

-Cuando se trate de zonas en las que tengan lugar intervenciones poco

frecuentes tales como operaciones de mantenimiento, asegurarse de

que una toma de corriente situada en la máquina o en su proximidad

permita la conexión de una lámpara transportable.

En lo referente a los equipos de iluminación integrados en las máquinas

se recomienda utilizar una tensión de alimentación inferior a 50V. Sin

embargo al tratrarse de material ya en servicio, se admite utilizar una

tensión superior presente en la máquina (120 V. Ó 230 V.), salvo en

medio húmedo.

-Se recomienda igualmente evitar el empleo de tubos fluorescentes para

evitar efectos estroboscopios peligrosos en ciertas máquinas.

10- SUPERFICIES CALIENTES O MUY FRÍAS

La temperatura superficial a considerar para evaluar el riesgo depende

de la naturaleza del material ( metal, material plástico,...) y de la duración

del contacto con la piel. A título indicativo , en el caso de una superficie

metálica lisa, se admite generalmente que no existe riesgo de

quemadura por contacto involuntario (máximo 2 a 3 segundos) si su

temperatura no excede de 65º C. Por debajo de esta temperatura no es

necesario por tanto la aplicación de medidas de seguridad.

En el caso de que exista un riesgo significativo, se pueden aplicar una o

varias de las medidas siguientes , siempre que no interfieran en el

proceso de trabajo:

-Colocación de un aislante térmico alrededor de los elementos

peligrosos.

-Adaptación de resguardos para permitir la evacuación de calorías

(rejillas, chapa perforada,...)

-Supresión global de acceso a la zona peligrosa mediante barandillas o

cualquier otro tipo de resguardo material.



-Aplicación de cortinas de aire o de agua.

En el caso en que las superficies deban estar calientes y accesibles, será

necesario utilizar los equipos de protección individual apropiados. A este

respecto debe aplicarse el R.D. 773/1997 de 30 de Mayo sobre: utilización

de equipos de protección individual.

11- DISPOSITIVOS DE ALARMA

En aquellas máquinas complejas en las que desde el puesto de mando

no se puedan controlar las diversas zonas de operación , se instalarán

señales de alarma que deberán ser perceptibles y comprensibles y sin

ambigüedades.

Cuando la interrupción del proceso de trabajo de un equipo, pueda

generar algún tipo de riesgo deberá colocarse algún dispositivo de

alarma con las condiciones anteriormente citadas.

12- SEPARACIÓN DE LAS FUENTES DE ENERGÍA

El objetivo de este apartado es obtener que se pueda, en cada máquina,

mediante una consignación, intervenir sin riesgo, particularmente para

las operaciones de mantenimiento (revisión , reparación, limpieza...)

La consignación de una máquina incluye fundamentalmente:

La separación de todas sus fuentes de energía: eléctrica, neumática ,

hidráulica, mecánica y térmica.

La condenación, es decir el enclavamiento de los dispositivos de

separación, cuando haya riesgo de restablecimiento imprevisto de la

energía.

La disposición de las energías acumuladas.

Energía eléctrica:

En lo referente a la energía eléctrica, la separación puede quedar

asegurada mediante:

-Un seccionador

-Un seccionador equipado con contactos de precorte

-Un interruptor –seccionador

-Un disyuntor que disponga de la función de seccionado.

-Una toma de corriente para una intensidad inferior o igual a 16 A y una



potencia total inferior a 3 kW.

La utilización de un seccionador debe ser objeto de una atención

particular ya que este aparato está concebido para funcionar en vacío y

puede explotar si es maniobrado en carga tras una falsa maniobra. Los

seccionadores equipados con contactos de precorte permiten eliminar

este riesgo en la medida en que estos contactos estén conectados

correctamente.

Los dispositivos de separación deben, por su tecnología, ofrecer todas las

garantías de que a cada posición (abierto / cerrado) del órgano de mando

corresponda de forma inmutable la posición (abierto / cerrado) de los

contactos. Esto es particularmente importante cuando losa aparatos no

sean de corte visible o de corte totalmente aparente.

La retirada de la clavija de una toma de corriente puede ser considerada

como una acción equivalente a una consignación en cualquier máquina

pequeña en la que se tenga la certeza de que esta ficha no podrá ser

reinsertada en su zócalo con desconocimiento de la persona que

interviene en la máquina.

Energía hidraúlica y neumática;

Para estas energías, el dispositivo de separación podrá ser un grifo, una

válvula o un distribuidor de mando manual. En neumática un “enchufe

rápido” puede ser utilizado con el mismo fin que la toma de corriente en

electricidad para las máquinas de pequeña potencia.

Disipación de las energías:

La disipación de las energías acumuladas consiste fundamentalmente en

purgar los acumuladores hidráulicos, vaciar los depósitos de aire

comprimido (eventualmente las canalizaciones), descargar los

condensadores.

Es preciso igualmente tener en consideración:

-El desplazamiento posible por gravedad de ciertos elementos (energía

potencial ).

-La emisión de chorros de fluido bajo presión durante intervenciones

sobre los circuitos hidráulicos mantenidos en carga.



-El contacto con piezas mantenidas bajo tensión a pesar del corte de

alimentación de energía eléctrica (protección en el caso de sistemas

electrónicos de mando por ejemplo).

Con el fin de prevenir estos riesgos hay que poner a disposición de los

trabajadores medios tales como:

-Puntuales suficientemente resistentes y correctamente dimensionados

para evitar por ejemplo la caída del carro de una prensa o el

mantenimiento bajo presión de una cámara de cilindro hidráulico.

-Ganchos y eslingas para mantener las cargas.

-Pantallas dispuestas localmente para evitar proyecciones de fluidos o

contactos con las partes mantenidas bajo tensión.

13- SEÑALIZACIÓN Y ADVERTENCIA.

En aquellos casos de equipos de trabajo en los que tras adaptarles

medidas de protección adecuadas persista un riesgo residual, éste

deberá estar adecuadamente señalizado, mediante indicativos

normalizados

14- INCENDIO

15- EXPLOSIÓN

Estos riesgos pueden ser derivados de las características de las materias

procesadas o del ambiente del entorno del equipo de trabajo.

En función de las mismas se deberán adoptar las medidas adecuadas.

Considerando que uno de los factores principales de estos riesgos es la

electricidad, deberá adecuarse el equipo eléctrico a las exigencias de la

reglamentación en lo referente a la protección a la protección contra

sobreintensidades y utilizar cuando sea necesario equipos eléctricos

específicos para uso en atmósferas explosivas.

Deberá tenerse en cuenta los problemas de la electricidad estática.

Las medidas de prevención podrían ser:

-Evacuar los productos peligrosos aspirándolos en su origen.

-Encerrar estos productos en un espacio cerrado en el que el riesgo de

elevación de temperatura o de producción de chispas no exista.

-Utilizar las técnicas de inactivado que consisten en modificar la



composición de la atmósfera en la que se encuentra el producto para

impedir que se inflame.

-Colocar dispositivos de control que permitan mantener

automáticamente la atmósfera fuera del campo de inflamabilidad.

Cuando estos diferentes medios no pueden colocarse o no se consideren

suficientemente eficaces se puede recurrir a dispositivos de seguridad

automáticos mediante extintor o introducción masiva de un gas inerte.

16- RIESGO ELÉCTRICO

Todas las piezas de un equipo de trabajo bajo tensión deben estar

protegidas contra contactos directos.

La puesta a tierra de los materiales debe estar asegurada, salvo caso

particular (aparatos de doble aislamiento por ejemplo); los conductores

de protección deben presentar una buena continuidad eléctrica

(conductores no cortados y conexiones fiables) y llevar la doble

coloración verde-amarilla.

Los diferentes grupos de las máquinas deben estar conectados en

paralelo al conductor de protección y no en serie.

Una máquina o un equipo no debe poder ser objeto de un calentamiento

susceptible de provocar un incendio; los dispositivos de protección

contra sobreintensidades deben ser verificados, cambiados o

complementados de ser necesario.

El valor de la toma de tierra tiene que ser compatible con el umbral de

los dispositivos diferenciales existentes.

En el caso en el que dificultades técnicas o económicas impidan realizar

una toma de tierra eficaz, o si existe incertidumbre en cuanto a su valor,

es posible , y en ciertos casos obligatorios colocar

dispositivos diferenciales de alta sensibilidad.

17- RUIDOS, VIBRACIONES Y RADIACIONES

En principio en los equipos de trabajo en los cuales un análisis de riesgos

detecte la existencia de alguno de ellos, se efectuará una mediación, con

el fin de determinar su magnitud y de ahí, indicar las medidas

preventivas correspondientes, tales como:



-Implantar apoyos antivibratorios.

-Sustituir las cadenas metálicas por correas trapezoidales

-Instalar amarres de tubería elásticos, en lugar de rígidos.

-Cerramientos de las fuentes sonoras mediante paneles aislantes.

-Instalar silenciadores en los escapes de las válvulas.

-Etc...

En el caso de radiaciones provenientes de los equipos de soldadura, es

conveniente el utilizar mamparas o pantallas movibles que protejan al

resto del personal de las radiaciones peligrosas.

18- LÍQUIDOS CORROSIVOS O A ALTA TEMPERATURA

Los equipos que manipulen o almacenen líquidos corrosivos es

conveniente que se encuentren ubicados en locales bien ventilados y

debidamente aislados, en los que se prevea la recogida y/o descarga de

fugas accidentales o existir medios de drenaje seguros que permitan su

vaciado controlado.

Deben estar provistos de bandejas colectoras en los puntos críticos y de

las correspondientes válvulas de alivio instaladas de forma que su

descarga no incida en la proximidad de los trabajadores expuestos.

En cuanto a los líquidos a alta temperatura, las paredes de los hornos o

equipos, así como las tuberías y demás equipos de trasiego estarán

adecuadamente refrigerados o apantallados siempre que no se puedan

alejar suficientemente los puestos de trabajo.

19- HERRAMIENTAS MANUALES

Deben de ser de diseño ergonómico y ajustadas al tipo de trabajo y al

riesgo existente en el mismo, por ejemplo: si se está trabajando en

instalaciones eléctricas, sus mangos, etc..., han de ser aislantes. Si se

utilizan en ambientes con riesgo de incendio o explosión, su manejo0 no

debe de producir chispas, etc.

Disposiciones específicas aplicables a las Máquinas-Herramienta.

Brochadoras de interiores



Características:

Las brochadoras de interiores son máquinas de mecanizado por

arranque de viruta. Sirven para realizar en el interior de piezas, estrías de

piñones, ojales, caras planas, ranuras. La herramienta básica, la “brocha”

tiene una sección que se corresponde con la forma deseada. La brocha

es llevada a través de la pieza mediante la guía de tracción accionada por

un cilindro hidráulico.

Existen dos configuraciones de máquinas: de brocha vertical o de brocha

horizontal.

El brochado se efectúa bajo abundante riego de aceite de corte.

Para una sola forma puede ser necesario el pasar varias brochas.

Para las series importantes el trabajo es automatizado. El operario sólo

interviene en las fases de carga y descarga.

Para formas especiales o series limitadas, se trabaja manualmente. El

operario interviene en el curso de la operación de brochado.

1 Órganos de accionamiento

Véase parte general.

2 Acción voluntaria de puesta en marcha

Véase parte general

3ª) Parada general


3b) Parada en el puesto de trabajo


3c) Parada de emergencia



Teniendo en cuenta la baja inercia de los elementos móviles, la parada

en el puesto de trabajo es prácticamente instantánea.

4 Proyección, caída de pieza

Realizar la manipulación de brochas pesadas con ayuda de medios de

elevación.

5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos

No procede

6 Medios de acceso y permanencia


7 Estadillo, rotura


8ª) Elementos móviles de transmisión

El sistema de empuje de la traviesa de tracción de la brocha debe

hacerse inaccesible mediante la colocación de un resguardo fijo.

8b) Elementos móviles de trabajo

Se debe instalar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de

Categoría 1 que impida el acceso a la brocha en curso de mecanizado,

provocando su apertura la interrupción del movimiento de la

herramienta.

9Iluminación


10 Riesgo de quemadura

No procede

11 Dispositivos de alarma

No procede

12 Separación de las energías


13 Señalización


14, 15 Riesgo de incendio, explosión



No procede

16 Riesgo eléctrico


17 Ruidos, vibraciones y radiaciones


18 Líquidos corrosivos o a alta temperatura

No procede

19 Herramientas manuales

No procede

CIZALLAS GUILLOTINA

Características:

Las cizallas guillotina son máquinas de corte rectilíneo de chapa o de

láminas de bajo espesor (máximo aproximado 12mm). Están destinadas

a piezas de grandes dimensiones.

La pieza es posicionada por uno o dos operarios bajo las cuchillas de la

cizalla y mantenida en su sitio mediante un pisador.





3ª) Parada general





No procede




Para el manejo de piezas de grandes dimensiones, será preciso el uso de

mesas o soportes en la parte frontal de la máquina.

Si se utilizan en la parte trasera cunas para la evacuación de los recortes

será conveniente prever un sistema de retención de los mismos, de tal

manera que al amontonarse no constituyan un riesgo para los

trabajadores que los evacuen o se encuentren en las proximidades.


No precede


No procede

7 Estallido, rotura

No procede



8b)Elementos móviles de trabajo


8c) Dispositivos de protección

Parte frontal: La máquina debe disponer de un resguardo fijo debe

impedir el acceso al pisador permitiendo el paso del espesor máximo de

chapa admisible.

El resguardo será realizado de tal forma que se pueda ver bien la

posición de las cuchillas para los cortes de trazado.

Partes laterales: El acceso a la zona peligrosa en los costados de la

máquina, se impedirá con resguardos fijos que podrán desmontarse en

el caso de cizallar piezas de formas singulares.

Parte trasera: La colocación de un plano inclinado de una banda de

evacuación o de una cubeta para la recuperación de los cortes permite



generalmente garantizar una distancia de seguridad en relación a la

cuchilla móvil. En el caso de no colocar ninguno de estos sistemas se

colocará un sistema de cierre perimetral con sistema de enclavamiento

de Categoría 1.

9 Iluminación



No procede


No Procede



13 Señalización



No procede






No procede


No procede

CURVADORAS DE RODILLOS

Características

Las curvadoras a rodillos sirven para trabajar chapas con objeto de

obtener cilindros y conos por deformación. La operación se descompone



en dos fases: El precurvado y el curvado, mandados manualmente.

El operario interviene a lo largo del ciclo de producción. Carga la chapa

en la máquina para el precurvado (inicio de la parte curva), asegura el

curvado (el paso de toda la chapa). Al final de la operación hace un

control dimensional y, eventualmente realiza un punto de soldadura para

mantener el contacto de la junta longitudinal. Tras la apertura del palier

móvil descarga la virola.





3ª) Parada general





El operario debe poder acceder a una parada de emergencia desde

cualquier posición de trabajo. Por lo tanto en las máquinas curvadoras

de pequeño tamaño, la parada de emergencia puede ser tipo “ seta” y en

las grandes será de tipo cable perimetral.

NOTA: Se considera de pequeño tamaño aquella que el operario puede

acceder a la parada con cualquiera de sus manos.


Véase punto 8


No procede


No procede

7 Estallido, rotura



No procede




El pupitre de mando ha de estar lejos de la zona de arrastres y

movimientos de la chapa.

Delimitar la zona de movimientos de la chapa mediante obstáculos

desplazables.

En caso de utilizar un pedal, éste deberá ser de tres posiciones.

9 Iluminación



No procede


No procede



13 Señalización



No procede






No procede


No procede



ESMERIL

Características

Los esmeriles sirven para el afilado de las herramientas normales del

taller mecánico así como para el desbarbado de pequeñas piezas. Llevan

normalmente dos muelas o dos herramientas abrasivas fijadas en cada

extremidad del eje motor.

La pieza a amolar es sujeta con la mano apoyando sobre el soporte de

pieza.


La carcasa de protección deberá ofrecer en la parte de trabajo una

abertura inferior a 90º siendo el ángulo formado entre la horizontal y la

parte superior, inferior a 50º.

Si el diámetro de la muela es >=125mm, deberá tener un dispositivo que

permita el ajuste entre las muela y la carcasa a una distancia inferior a

5mm.

La distancia entre la muela y las partes laterales de la carcasa será

<=10mm.

Para máquinas dotadas de variador de velocidad y que puedan alcanzar

velocidades elevadas, se recomienda que interiormente a la carcasa

exista una capota que cierre la apertura de la carcasa en caso de rotura

de la muela.



Esmerilado lateral:

La muela sólo será accesible en la parte próxima al diámetro.

En ambos casos deberá tener apoyapiezas.

9 Iluminación



No procede


No procede



13 Señalización




NOTA: En caso de esmerillar piezas de material cuyo polvo presente

riesgo de incendio y explosión, se deberá tomar las medidas adecuadas.





18 Líquidos, corrosivos o a alta temperatura

No procede


No procede

FRESADORAS UNIVERSALES DE CONSOLA Y BANCADA FIJA

Características



Las fresadoras universales de consola y bancada fija son máquinas de

mecanizado por arranque de viruta. Utilizan herramientas giratorias con

una o varias aristas de corte (fresas, brocas, brocas de mandrinar, etc.) y

trabajar en tres ejes.

Estas máquinas están provistas de un dispositivo de regado de líquido de

corte.

Pueden ser manejadas desde dos puestos: uno en la cara delantera y el

otro en el costado.

Se llaman universales ya que se pueden efectuar operaciones muy

variadas: refrentado de cabezas, rodante, mandrinado, perforado,

tallado, taladrado, trazado, ranurado, escariado, fresado.





3ª) Parada general



Cada puesto de trabajo deberá disponer de un dispositivo de frenado.


Sólo tiene objeto en las máquinas que dispongan de un dispositivo de

frenado.


Se debe disponer de un resguardo móvil para evitar las proyecciones de

viruta y de líquido de corte. El operario podrá desplazarlo para adecuar la

protección a las piezas mecanizadas.


No procede




No procede

7 Estallido, rotura

No procede




Trabajo con piezas en serie: Colocar un dispositivo de protección

(resguardo móvil) para impedir el acceso a las herramientas en rotación y

para impedir las proyecciones de viruta y de líquido de corte. Solamente

podrán acceder a la máquina operarios cualificados.

Trabajo con piezas unitarias: Las operaciones de mecanizado, las

intervenciones manuales y los controles visuales son aquí frecuentes. La

protección que pueda colocarse será función del tipo de pieza a

mecanizar y de la fresa a utilizar. Solamente podrán acceder a la

máquina operarios cualificados.

9 Iluminación

Colocar un dispositivo de iluminación localizada


No procede


No procede



13 Señalización

Colocar indicaciones para el funcionamiento de la máquina – elección de

velocidad de corte en función del material – sobre el bastidor de la

máquina.




No procede






No procede


No procede

LIJADORAS DE BANDA

Características

Las lijadoras de banda sirven achaflanar o desbarbar pieza pequeñas

mediante una banda abrasiva sinfín que corre de adelante hacia atrás

sobre un plano de trabajo.

La pieza fija a lijar está colocada sobre el plano de trabajo y puesta en

contacto eventualmente con un tope móvil.





3ª) Parada general





No procede




Los riesgos de proyección de abrasivos requieren llevar guantes y gafas

de protección.

5 Riesgo de emisión de gases, vapores, líquidos y polvos



No procede

7 Estallido, rotura

La carcasa de protección deberá ser de suficiente resistencia para poder

retener la banda de material abrasivo en caso de rotura.


Las poleas de transmisión deben estar provistas de una protección que

impida el acceso al punto de entrada entre la banda y la polea.


Todo el recorrido de la banda abrasiva estará protegido salvo la zona de

trabajo.

El tope de apoyo debe estar situado tan cerca como sea posible de la

banda abrasiva, para evitar que los dedos del operario sean atrapados.

9 Iluminación



No procede


No procede



13 Señalización



No procede a no ser que el material a mecanizar desprenda polvo con

riesgo de incendio o explosión.








No procede


No procede

LIMADORA

Características

Las limadoras son máquinas de mecanizado por arranque de viruta que

sirven para la realización de superficies planas. Son máquinas con

movimiento lineal de herramientas y piezas.

La herramienta realiza un movimiento alternativo y la pieza puede

avanzar de forma automática o manual.





3ª) Parada general





No procede en limadoras que no dispongan de un sistema de frenado.




Colocar un dispositivo de protección contra proyecciones en punto de

operación.


No procede


No procede

7 Estallido, rotura

No procede


Colocar un resguardo con un dispositivo de enclavamiento para cubrir la

excéntrica que acciona los avances automáticos.


Colocar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de

Categoría 1 en el punto de operación.

9 Iluminación



No procede


No procede



13 Señalización



No procede






No procede




No procede

MANDRINADORAS DE BANCADA EN CRUZ

Características

Las máquinas de mandrinar de bancada en cruz y eje horizontal son

máquinas de mecanizado por arranque de viruta para piezas

relativamente grandes. Utilizan herramientas giratorias de una o varias

aristas de corte (fresas, brocas, brocas de mandrinar, etc.) y trabajan en

tres ejes.

Estas máquinas disponen de un dispositivo de riego de líquido de corte

Están destinadas a realizar diferentes tipos de mecanizado sobre una

misma pieza; refrentado, mandrinado, taladrado, perforado punteado,

ranurado, escariado. Los cambios de herramienta son por lo tanto

frecuentes.





3ª) Parada general



Cada puesto de trabajo deberá disponer de un dispositivo de parada



frenado.




Debido a la diversidad de piezas y trabajos a realizar, no es posible

colocar un dispositivo de protección universal que permita evitar la

proyección de viruta y líquido de corte en el punto de operación. Por

tanto, sólo podrá trabajar personal cualificado y se deberá establecer la

obligatoriedad de utilizar equipos de protección individual (gafas de

seguridad).

5 Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos y polvos

No procede



7 Estallido, rotura

No procede









seguridad).

NOTA: Sería recomendable la colocación de una protección periférica de

la zona de movilidad de la máquina, siempre que la misma no provoque

situaciones de riesgo.

9 Iluminación



No procede


No procede





13 Señalización



máquina. Indicar también la obligatoriedad de usar equipos de

protección individual y ropa ajustada.


No procede






No procede


No procede

MANDRINADORAS DE COLUMNA MÓVIL

Características

Las mandrinadoras de columna móvil con brocha horizontal son

máquinas de mecanizado por arranque de viruta. Sirven para realizar

piezas unitarias de grandes dimensiones (4000 x 250 x 2000mm) con

operaciones múltiples y mandrinados que requieren gran precisión.

Las operaciones más normales son el punteado, el perforado, el

mandrinado, el refrentado.

Las mandrinadoras están provistas de avances automáticos de velocidad



normal o rápida.

La utilización de la máquina requiere una regulación precisa. El operario

debe mantenerse próximo a la zona de mecanizado para controlar

visualmente el trabajo de la herramienta.





3ª) Parada general






frenado.







seguridad)

5 Riesgos de emisión de gases, vapores, líquidos o polvos

No procede


Las plataformas de trabajo debes estar dotadas de barandillas, rodapiés

y enrejados adecuados para que el trabajo se realice de forma segura.

7 Estallido, rotura

No procede











seguridad).

Las zonas de atrapamiento generadas por los movimientos del conjunto

porta-herramientas deben eliminarse mediante dispositivos adecuados,

como por ejemplo fuelles.

NOTA: en máquinas de gran tamaño sería recomendable la colocación de

una protección periférica de la zona de movilidad de la máquina, siempre

que la misma no provoque situaciones de riesgo añadido.

9 Iluminación



No procede


No procede



13 Señalización



máquina. Indicar también la obligatoriedad de usar equipos de

protección individual.


No procede








No procede


No procede

MÁQUINAS DE ELECTROEROSIÓN

Características

El principio de funcionamiento de las máquinas de electroerosión es el

de producir un arco entre la herramienta y la pieza. Este arco produce el

arranque de material en la pieza.

En el caso de las máquinas de electroerosión por penetración, la

herramienta de corte es un electrodo con la forma del orificio que se

quiere obtener.

En el caso de las máquinas de electroerosión por hilo, la herramienta de

corte es un hilo el cual se encuentra enrollado en una bobina y pasa a

través de la máquina para acabar en un recipiente.


Para los diferentes modos de funcionamiento deberá existir un selector

de modo de operación.

Modo de operación:

-En automático: Sólo se autoriza con los dispositivos de seguridad

activos.



-En reglaje: Como norma general se deberá emplear un dispositivo de

mando sensitivo a velocidad reducida (10mm/s).


Véase parte genera

3ª) Parada general





La máquina debe disponer de un dispositivo de parada de emergencia en

el puesto de mando con Categoría de parada 0 ó 1.


En las máquinas que funciones con chorro, deberán disponer de un

dispositivo de protección contra proyecciones.

El dieléctrico en la zona de operación estará confinado en un cubeto de

dimensiones y resistencia adecuado a las características del dieléctrico y

de las piezas a mecanizar.

Los sistemas hidráulicos y neumáticos estarán protegidos.


Las máquinas que funciones con dieléctrico, deberán estar dotadas de

sistemas de aspiración localizada, cuyo funcionamiento esté asociado al

mando.


No procede

7 Estallido, rotura



Las máquinas de electroerosión por hilo deben disponer de resguardos

móviles con sistema de enclavamiento de Categoría 1 en las poleas que



accionan el hilo.


Colocar un resguardo móvil con dispositivo de enclavamiento de

Categoría 1 en el punto de operación.

9 Iluminación

Colocar un dispositivo de iluminación complementaria.


Véase parte genera


Existirán dispositivos de alarma luminosos y acústicos, asociados al

sistema de detección automática de fuego.

12 Separación de energías


13 Señalización



Estas máquinas estarán dotadas de los siguientes dispositivos de

detección.

-Detector de nivel y de temperatura de inflamabilidad del fluido

dieléctrico asociado al mando.

-Detector de incendios asociado al mando.

- Además de los extintores normales en las proximidades de la

máquina, se recomienta dotar a la máquina de un sistema de detección

automática.


Contacto eléctrico directo con el electrodo o partes en tensión:

El máximo voltaje accesible que está permitido entre las partes de la

máquina, los electrodos – herramientas y la pieza de trabajo y/o la tierra

no debe exceder de 25 V en corriente alterna o de 60 V en corriente

continua.






El fluido dieléctrico tendrá un punto de inflamabilidad superior a 60º C.

Para garantizar que no se alcance esta temperatura el equipo deberá

disponer de un detector que detenga la operación en el caso de que el

dieléctrico alcance los 45º.

En el caso de que el punto de inflamabilidad del fluido dieléctrico sea

elevado y que la temperatura que se pueda alcanzar sea lejana, se podrá

prescindir del citado detector.


No procede.

MÁQUINAS DE MECANIZADO CON CONTROL NUMÉRICO

Características

Las máquinas de mecanizado con control numérico realizan operaciones

de torneado, fresado, taladrado, mandrinado a partir de un sitema de

control electrónico: el control numérico.

Algunas máquinas están dedicadas a un tipo de mecanizado (fresado,

torneado) otras son polivalentes y realizan varios tipos de operaciones

sobre una misma pieza. Son los centros de mecanizado.

El operario efectúa la regulación de la máquina, vigila la realización de las



piezas de forma automática según un programa preestablecido o

introduce los datos de mecanizado en el control numérico.





3ª) Parada general





Colocar un dispositivo de parada de emergencia en cada puesto de

trabajo.

4 Proyección caída de pieza

Colocar dispositivos de protección (resguardos) para proteger al operario

contra la proyección de virutas y fluidos de corte.





7 Estallido, rotura



Los cambiadores de herramientas han de hacerse inaccesibles mediante

resguardos fijos o resguardos móviles con enclavamiento de Categoría 1.


Ciclo automático:

Colocar dispositivos de protección que impidan el acceso a la zona de

mecanizado. Estos dispositivos estarán asociados a enclavamientos de

bloqueo de Categoría 1.

Reciclaje:



Existirá un selector de modo de operación en posición de reglaje.

Este selector permitirá el movimiento de la máquina a velocidad lenta

mediante un mando sensitivo. Se entenderá velocidad lenta cuando no

se superan los 2m/min.

9 Iluminación

Colocar dispositivos de iluminación complementaria en la proximidad de

la zona de mecanizado para facilitar regulaciones. (que no creen efectos

estroboscópicos).


No procede





13 Señalización



No procede








No procede.

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(2010, 09). Mecanizado Alta Velocidad. BuenasTareas.com. Recuperado 09,

2010, de http://www.buenastareas.com/ensayos/Mecanizado-Alta-

Velocidad/751495.html



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