Mecanizado de Alta Velocida 6

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Enviado por neburr, marzo 2011 | 35 Pginas (8505 Palabras) | 356 Visitas | | |

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Tecnologa de Fabricacin I (2010-2011)

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|[pic] |Mecanizado de alta velocidad: situacin actual y nuevas

tendencias |[pic] |

| |

Engineering congress of precision machining

Rubn Escudero Rodrguez

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Universidad de Valladolid (2010-2011)

E. Ingenieras Industriales

Bloque mecnico de transporte y construcciones industriales (5 curso)

| |

NDICE:

1. Resumen

2. Introduccin

Definicin

Requerimientos sobre la mquina herramienta

De dnde surge

Ventajas competitivas del MAV

Utilizacin

3. Mquina-Herramienta

4. Herramientas

5. Portaherramientas

6. Refrigeracin

7. Control Numrico Computacional para el MAV

8. Materiales a mecanizar

9. Aplicaciones del MAV

Principales campo de aplicacin y ventajas

Ejemplos de aplicacin

Especificaciones segn volumen de produccin

10. Nuevas Tendencias

Mecanizado de Ti54M

Operaciones de acabado de Inconel 718 en condiciones de mecanizado

secas

Dry Machining

11. Aspectos Econmicos del MAV

Bibliografa

Revistas

Foros

Anexos

271 Pginas septiembre de 2010

79 Pginas noviembre de 2011

52 Pginas septiembre de 2012

97 Pginas octubre de 2012

50 Pginas julio de 2012

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Garaje

Automatizacin De Una Puerta De

Garaje



1. RESUMEN

El MAV es un procedimiento de mecanizado novedoso pero caro, que se

est abriendo paso en la industria lentamente, conforme crecen las

necesidades. Proporciona elevadas prestaciones en cuanto a calidad y

tiempos en competicin directa con la electroerosin, ofreciendo adems

una gran flexibilidad. Permite tambin el mecanizado de piezas de

espesor delgado y limita el incremento de temperatura, manteniendo la

homogeneidad de la pieza. Su desarrollo ha sido favorecido por el

desarrollo de los motores lineales, que sustituyen a los tradicionales

husillos de bolas, de nuevos materiales para herramientas y de

electromandrinos capaces de alcanzar elevadas velocidades angulares.

Desde el punto de vista del control cabe destacar la necesidad de

disponer de CNCs con tiempos rpidos de proceso de bloque, que

permitan trabajar con elevadas aceleraciones y velocidades de los ejes,

evitando cambios bruscos mediante un jerk derivable. Tambin hay que

subrayar la necesidad de disponer de algoritmos de look-ahead para

obtener altas velocidades de ejecucin de los programas junto con la

utilizacin de NURBS para minimizar la cantidad de datos procesados por

unidad de tiempo. Las principales aplicaciones estn en moldes y

matricera, as como en la industria aeronutica. Actualmente los

mayores avances se estn dando en las nuevas aleaciones para

herramientas como el Ti54M, y en el mecanizado en seco, que incorpora

todas las ventajas que acarrea el prescindir de fluidos de corte.

2. INTRODUCCIN

1. Definicin

El MAV es un concepto definido por el PTW (Instituto de Ingeniera de

Produccin y Mquina-herramienta) como el mecanizado cuyos

parmetros de corte son como mnimo tres veces mayores de los usados

habitualmente, llegando en ocasiones a multiplicar por 10 los

parmetros de corte convencionales.

Es, por tanto, un mecanizado en el que se consiguen altos porcentajes de

eliminacin de material sin degradar la precisin y calidad de la pieza. El

uso de velocidades mayores de husillo y mayores valores de avance de

los ejes depende del tipo de material que se mecanice, por tanto el MAV

se define en trminos relativos.

Este concepto se apoya experimentalmente en el fenmeno de que a

partir de una cierta velocidad de corte, la temperatura de corte comienza

a decaer debido a la menor transmisin de calor. El rango plstico se

acorta y la rotura de la viruta ocurre por fractura frgil (Vaughn (1958-

1960), Krueck(1960)).

[pic]



Grfica velocidad de corte vs. Temperatura de corte para diferentes

materiales en el proceso de mecanizado

2. Requerimientos sobre la mquina-herramienta

El cabezal de la mquina debe tener un electromandrino que alcance

una alta rotacin del husillo (20000 r.p.m.), actualmente se comercializan

centros de mecanizado de hasta 45000 r.p.m. con una potencia de 17kW

El centro de mecanizado se debe desplazar rpidamente (40 ~ 60

m/min.). Esto se consigue mediante motores lineales, que reemplazan a

los tradicionales husillos de bolas

Procesado inmediato de los datos en el control numrico y volcado

rpido en la memoria del sistema para poder calcular con precisin una

trayectoria. Se realizan miles de operaciones en cada movimiento de la

mquina y el microprocesador de control no puede ser un embudo.

Actualmente se disponen dos microprocesadores de 32 bit y 150 MHz

con lo cual se procesan 1250 bloques por segundo.

Absorber las fuerzas generadas en las operaciones de corte mediante

una slida construccin y mantener la precisin con los elevados

parmetros de aceleracin y desaceleracin generados, controlando las

estrechas franjas de tolerancia

Ofrecer un carenado completo que garantice la seguridad de los

operarios.

3. De dnde surge

El 27 de abril de 1931 la compaa Friedrich Krupp AG patenta un

mtodo de corte en el cual, su inventor, C. Salomon hace constar que en

el mecanizado de acero, metales ligeros y otros metales no frreos, a

partir de una cierta velocidad, la temperatura de corte comienza a bajar

(Patente alemana n : 523594 (1931)). Es a partir de los aos 60 cuando

se desarrollan la mayor parte de las teoras de formacin de viruta

(Tanaka, Tsuwa & Kitano(1967)) y del mecanismo activo (Shaw (1967),

Recht (1964), Turkovich (1972), Rogers(1979)). Sin embargo hasta 60 aos

ms tarde, no se puede utilizar de forma industrial por no poder

conseguirse esas velocidades tan altas. A mediados de los noventa se

empieza a adoptar en el mercado esta tecnologa, nacida como respuesta

a la presin competitiva que el entorno global ha impuesto a las fbricas

que estn especializadas en el mecanizado de grandes series o

volmenes de produccin. El punto de partida fue la industria

aeroespacial, en la que se mecanizan grandes compuestos integrales,

piezas con alto volumen de material que debe ser eliminado y largos

tiempos de produccin. A da de hoy est mucho ms extendido, con

avances crticos en recubrimientos (TiN, TiCN, TiNAl multicapa), uso de

metales duros como materia prima base, en lugar del acero rpido (HSS-

E), torneado sin corte interrumpido y sistemas de amarre hidrulicos y



trmicos.

[pic]

Propiedades generales del mecanizado de alta velocidad

4. Ventajas competitivas del MAV

Menor tiempo de fabricacin (altas velocidades de corte y avance) y, por

tanto, menor coste en cantidad de piezas y sobre todo en mano de obra

en pases desarrollados

Mayor calidad de produccin (mejor precisin geomtrica y mejor

acabado superficial debido a menores esfuerzos de corte)

Posibilidad de mecanizar paredes de pequeo espesor debido a los

menores esfuerzos de corte (espesores inferiores a 1 mm)

Menor temperatura en las piezas mecanizadas. El calor se disipa en un

90% con la evacuacin de las virutas, evitando el endurecimiento

indeseado de la superficie y posibilitando la produccin de piezas

susceptibles a distorsiones trmicas (en especial las de pequeo

espesor). La pieza no se calienta porque es cortada sin aumentar sus

tensiones internas.

El MAV tiene capacidad para elevar la calidad, hacerla consistente,

mantener la homogeneidad y es flexible ante variaciones de demanda

por su rapidez relativa en el proceso de fabricacin.

5. Utilizacin

El MAV se aplica especialmente en la fabricacin de MOLDES Y

MATRICERA, pues es donde ms valor aadido genera (ms calidad,

menos tiempo de produccin y menos costes). Adems, actualmente se

aplica el MAV en:

Industria aeronutica y aeroespacial

Industria ptica

Micromecnica de precisin

Industria de automocin

Fabricacin de relojes

Sector mdico, centrado en prtesis de titanio

Mecanizado de magnesio.

3. MQUINA-HERRAMIENTA

Uno de los elementos crticos en el MAV es la mquina herramienta, a la

cual se le exige un mayor grado de rapidez y precisin que en el

mecanizado convencional.



A da de hoy, la tecnologa de los accionamientos en mquina

herramienta est dominada por los servomotores rotatorios

(servomotores son aquellos motores cuyo objetivo principal no es solo la

aportacin de una potencia dada sino tambin la posibilidad de un

control exhaustivo de posicin, velocidad y aceleracin ) que se usan

junto con una serie de componentes mecnicos de transmisin como los

husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas consiguiendo as

pasar de un movimiento rotativo a un movimiento lineal. El problema es

que estos componentes mecnicos limitan los valores de velocidad y

aceleracin alcanzables debido a los efectos de elasticidad, holguras,

rozamientos y vibraciones propias de la cadena cinemtica.

Para solventar este problema surgieron los motores lineales (ver anexo

adjunto) que eliminan los componentes mecnicos de las transmisiones

utilizadas en los accionamientos tradicionales, proporcionado un

importante incremento en los niveles de velocidad, aceleracin y

precisin a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas como se ve

en la siguiente tabla comparativa:

| |Servomotor con Husillo |Motor lineal |

| |a bolas | |

|Velocidad mxima |0,5 m/s |2 m/s (3 4 |

| | |posible) |

|Aceleracin mxima |0,5 1 g |2 10 g |

|Rigidez dinmica |9 18 kgf/mm |6 21 kgf/mm |

|Tiempo posicionado |100 ms |10 20 ms |

|Fuerza mxima |26.700 N |9.000 N/bobina |

|Fiabilidad |6.000 10.000 h |50.000 h |

Sin embargo, los motores lineales no sustituirn los accionamientos

rotatorios de forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales

en diseos ya existentes, sino que es necesario realizar un completo

rediseo de la mquina herramienta para aprovechar las ventajas que

ofrecen.

4. HERRAMIENTAS

En primer lugar cabe destacar que las herramientas pueden ser

integrales (macizas) o de plaquitas.

Las herramientas integrales presentan una mejor tolerancia dimensional

y acabado superficial (debido el error de ensamblaje de la plaquita), sin

embargo la plaquita tiene un mayor rendimiento econmico (puesto que

si se desgasta es fcil de sustituir).

El estudio de las herramientas lo haremos a travs del sustrato, la

geometra y el recubrimiento

Sustrato: La herramienta est fabricada de Cermets o de Carburos

cementados (empleados en el mecanizado convencional) pero se les ha

aadido un revestimiento que los hace aptos para este procedimiento.

Aunque se emplean ms materiales, los ms utilizados son los siguientes:



Carburo cementado: hecho con partculas de carburo unidas por un

aglomerante. Los ms comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo

de titanio (TiC). El aglomerante tpico es el cobalto (Co). Son muy

adecuados para el mecanizado de aluminio y silicio.

Cermets (CERamic / METal): Las partculas base son de TiC, TiCN, TiN, el

aglomerante es nquel-cobalto.Las herramientas de metal duro

recubiertas (carburos recubiertos) permiten trabajar a mayores

velocidades que los Cermets y, adems, tienen un mejor

comportamiento respecto al desgaste y por lo tanto respecto a la vida de

la herramienta (aproximadamente el doble). Estas propiedades han

hecho que la mayora de las herramientas sean carburos recubiertos.

El recubrimiento: Los ms utilizados son: el nitrato de titanio (TiN), nitrato

de carbono-titanio (TiCN) y el nitrato de aluminio-titanio (TiAIN). El

espesor tpico suele ser de 2 a 12 m, y a menudo se utilizan

recubrimientos del tipo multicapa.

El recubrimiento ms utilizado en la actualidad (aunque es el ms caro)

es el nitrato de aluminio-titanio (TiAIN), sus caractersticas son las

siguientes:

Alta resistencia a la oxidacin permite trabajar a mayores temperaturas.

Su menor conductividad trmica protege los cortes y aumenta la

eliminacin del calor va viruta.

Su mayor dureza en caliente ofrece mejor proteccin contra el

desgaste.

Su mejorada resistencia qumica reduce el desgaste por crter.

Su mejorada resistencia qumica reduce el desgaste por crter.

La mayor proporcin de AI que de Ti en el recubrimiento provoca que,

durante la oxidacin, se creen xidos de aluminio que se adhieren a la

capa exterior del recubrimiento protegindolo durante ms tiempo. Si la

concentracin dominante es la de Ti, los xidos de titanio no se adhieren

al recubrimiento sino que se disipan, provocando una continua prdida

de Ti que conduce a un desgaste prematuro de la herramienta.

Geometra: Reflejaremos los aspectos ms significativos relacionados con

la geometra de las herramientas

ngulo de ataque es el ngulo que forma el perfil de corte con la lnea

que une el punto de contacto herramienta-pieza con su centro.

Para materiales blandos como el Al, Cu nos encontramos con el

problema de que es difcil separar la viruta de la pieza. Para estos

materiales son necesarios ngulos de corte positivos que penetren

realmente en el material y lo seccionen.

Para materiales duros, tipo aceros tratados, un ngulo de corte positivo

provoca casi inmediatamente la ruptura del perfil de corte dada su

fragilidad y poca robustez. Si el material es duro pero frgil,

emplearemos ngulos de corte negativos, ya que el material no necesita



ser arrancado sino simplemente roto.

Canal de evacuacin de la viruta y nmero de dientes: En materiales que

permiten un gran desalojo de viruta por unidad de tiempo, como el

aluminio, el canal de evacuacin del material ha de ser lo ms grande

posible por lo que se limita el nmero de dientes. Esta configuracin

resta robustez a la herramienta, ya que limita el espacio para el nima, a

la vez que limita el nmero de dientes o labios.

En materiales que no permiten tanto arranque de viruta ocurre el efecto

contrario, siendo el canal de desalojo lo ms pequeo posible y nos

encontraremos con herramientas de un gran nmero de dientes que

poseen mayor robustez. (Ver figuras en anexo)

Longitud de la herramienta: Cuanto mayor sea la longitud de la

herramienta, mayores sern las vibraciones que genera la flexin de la

herramienta lo que provocar desgastes prematuros, roturas progresivas

y mala calidad en la superficie mecanizada.

Se calcula que en las herramientas con relaciones longitud-dimetro (L/D

> 5) comenzamos a encontrar dichos problemas.

5. PORTAHERRAMIENTAS

El portaherramientas debe estar diseado teniendo en cuenta las altas

fuerzas inerciales debidas a la revolucin de este proceso. Los dos

aspectos que ms nos preocupan son el ajuste con la herramienta y los

desequilibrios que aparecen. Las caractersticas que debe cumplir el

portaherramientas son las siguientes:

Proporcionar mayor exactitud que nos asegure la repetitividad.

Transmisin segura de un elevado par.

Gran rigidez a la flexin esttica y dinmica.

Disminucin del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen

los problemas de tipo inercial.

El Ajuste.

El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser

extremadamente preciso. Los sistemas empleados son los siguientes:

Mecnico: Se basa en la utilizacin de una tuerca y una pinza que ser

cilndrica frente el caso tradicional donde es cnica.

Hidrulico: Presenta el inconveniente de que al girar a ms de 20000 rpm

la rigidez queda limitada. Las ventajas que presenta este

portaherramientas es que no necesita ningn mecanismo secundario, sin

embargo el coste es muy elevado

Trmico: El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento,



con lo que aumenta el dimetro interior por dilatacin. Una vez dilatado

se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso de

contraccin queda sujeta la herramienta.

[pic]

A continuacin veremos una comparativa de la precisin de los sistemas

anteriormente descritos

|til |Precisin |

|Portapinzas convencional |0.015 |

|Portapinzas de dilatacin trmica |0.003 |

|Portapinzas hidrulico |0.003 |

Efectos del desequilibrio

Efectos sobre la mquina: Un efecto del desequilibrio est relacionado

con la reduccin de la vida de la herramienta de corte (50% menos

respecto al uso de portaherramientas equilibrados). Para el mecanizado

a alta velocidad, lo ideal sera reequilibrar el conjunto herramienta /

portaherramientas / husillo en la propia mquina herramienta. No

obstante, hoy en da, existen muy pocos sistemas para un equilibrado

completo, por lo que hay que hacerlo en una mquina de equilibrado

externa.

6. REFRIGERACIN

En un proceso de mecanizado por arranque de viruta, una parte

importante de la energa consumida se transforma en calor, por el

cizallamiento y por la friccin entre el material y la herramienta.

Dicho calor es disipado a travs de 4 medios:

La pieza

La herramienta

La viruta

El fluido de corte

El uso de fluidos de corte es un factor determinante en el MAV cuando

trabajamos con herramientas convencionales (no diseadas para el

mecanizado en seco), la utilizacin de un fluido de corte adecuado se

traduce normalmente en un mecanizado ms fiable, un aumento de la

vida til de la herramienta, mejora del acabado superficial y la precisin,

adems de la disminucin de la potencia requerida para el corte.

Las funciones de los fluidos de corte son principalmente evacuar el calor

generado (transferencia mediante conveccin al fluido de corte) y



lubricar para reducir el rozamiento y as mantener la temperatura lo ms

baja posible. Tambin contribuyen de forma importante a evacuar el

caudal de viruta generada.

Tipos de refrigerantes

Aceites de corte puros: Son aceites empleados sin adicin de agua, se

usan excepcionalmente para operaciones en aceros de fcil mecanizado

y aleaciones no ferrosas como el latn. Presentan una capacidad

antifriccin y antisoldadura reducida.

Aceites con sustancias activas polares: Contienen materias grasas de

origen vegetal y animal, que forman una pelcula de alta viscosidad entre

la herramienta y la viruta. No se puede usar para aceros muy tenaces o

grandes profundidades de pasada, por su poca capacidad de absorcin a

altas presiones.

Aceites de corte con aditivos EP (extrema presin): Se adicionan al

aceite compuestos orgnicos de cloro, azufre o fsforo, que permiten

resistir altas presiones entre herramienta y viruta. De esta manera

permiten mecanizar aceros duros, tenaces y de alta aleacin. Se usan en

una gama muy amplia de mecanizados, por lo que reciben el nombre de

aceites de corte universales.

Emulsiones o aceites solubles: Son fluidos de corte mezclados con agua.

Hoy en da son los ms ampliamente utilizados para la fabricacin por

arranque de viruta. Dado el gran volumen de corte que producen las

mquinas-herramientas automticas y de CNC, necesitamos evacuar la

gran cantidad de calor producido. Por eso se diluye el aceite en agua, que

tienen una conductividad trmica bastante superior (del orden de 5

veces).

F.C. con de aceites minerales: Estn formados por una base de aceite

minera al que se aaden emulsionantes, aditivos anticorrosivos, agentes

antiespumantes, sustancias EP y conservantes. Se mezclan con agua,

producindose una mezcla de color normalmente blanco, aunque puede

ser translcida.

F.C sin aceites minerales: Son compuestos qumicos, ya sea orgnicos o

inorgnicos, que se emplean mezclados con agua y otros aditivos. Se

emplean normalmente en concentraciones inferiores a las anteriores,

resultando una mezcla translcida ampliamente utilizada para el

rectificado.

F.C bioestables: Estos fluidos de corte estn elaborados con cido

brico y alcanolaminas. Tienen buena resistencia a los microbios, lo que

aumenta la vida til del fluido, y tambin tienen un efecto anticorrosivo.

La calidad del agua es un factor importante para estos fluidos, que debe

ser de una dureza intermedia, y tener un contenido en cloro inferior a

150 mg/litro. La disolucin resultante debe tener un pH comprendido



entre 8.5 y 9.3

Suministro del refrigerante

La alternativa ms econmica es el suministro externo del lubricante. Sin

embargo en las operaciones de roscado y taladrado (que recordemos es

la ms comn), al realizar taladros de gran profundidad (ms de 4 5

veces el dimetro de la broca) la refrigeracin exterior es inoperante. Por

esta razn se utiliza el suministro interno de refrigerante, en el cual la

broca tiene conductos interiores por los que sale el refrigerante a

presin, procedente del interior del usillo. Estos conductos interiores

permiten al refrigerante eliminar el calor en el filo de corte y extraer las

virutas desde la punta de corte con mayor facilidad.

7. CONTROL NUMRICO COMPUTACIONAL PARA EL MAV

El Mecanizado de alta velocidad exige un nivel mnimo de prestaciones a

los CNCs que gestionan el proceso, de modo que sean capaces de

controlar las altas velocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de

precisin requerido.

Como vimos en clase, la estructura de un programa de control numrico

est formada por bloques. Cada uno de estos, es una instruccin

determinada. As por ejemplo el comando: N10 G01 X20 Y10 Z30 F200

S1000, me indica que se trata del bloque 10, que tiene como funcin un

movimiento mediante una interpolacin lineal desde el punto en que

estaba anteriormente hasta el indicado en el comando, con una

velocidad de avance de 200 mm/min con el husillo girando a 1000rpm.

El Control Numrico es un control secuencial. Los bloques se ejecutan

unos detrs de otros sin superposicin, por ello que est numerado, as

el bloque N20 se ejecutar cuando finalice el bloque N10. Se suele

programar en bloques de 5 en 5 o de 10 en 10 para as, si nos hemos

olvidado de algn bloque intermedio no tener que cambiar toda la

numeracin.

Para MAV los tiempos de proceso de bloque (tiempo que transcurre

entre la ejecucin de 2 bloques) suelen ser inferiores a 1 ms.

Lo interesante de esto es darse cuenta que en menos de 1 ms mi

maquina deber realizar un bloque, o lo que es lo mismo una funcin

concreta, que generalmente llevar asociado un desplazamiento desde

un punto A a un punto B.

Ir desde A a B en un tiempo tan pequeo, supone unos cambios en

velocidades y aceleraciones muy elevados que hay que evitar para por un

lado reducir los esfuerzos a los que se ve sometida la mecnica de la

mquina, y por otro, gracias a la reduccin de vibraciones, conseguir

movimientos ms suaves que permiten reducir el error y mejorar la

calidad.



Los mejores resultados se obtienen habitualmente utilizando un perfil de

aceleracin en forma de campana (seno cuadrado) como se puede

observar en la grfica de la derecha. Un jerk* derivable (el Jerk es la

variacin de la aceleracin en funcin del tiempo o lo que es lo mismo su

derivada temporal) permite obtener una aceleracin gradual para a su

vez suavizar los cambios bruscos de velocidad.

Adems la ejecucin progresiva y secuencial de bloques, supone que el

movimiento de cada uno de ellos es independiente, es decir que cuando

empieza y cuando acaba un bloque la herramienta tiene que estar

parada ( v=0 ). Para ilustrar esto supongamos que el bloque N10 mueve

la herramienta de A a B a velocidad F200 como hemos visto en el ejemplo

anterior y el bloque N20 lo mueve de B a C en esa misma direccin pero

a velocidad F300, lo ms lgico es pensar que la variacin de la velocidad

ser siguiendo la grfica azul, pero debido a la independencia de bloques

la herramienta seguir la trayectoria verde.

Como se observa en la grfica, esto es un problema grave ya que no se

pueden alcanzar velocidades altas a menos de que tengas unos

gradientes de velocidad altsimos ya que siempre vas a ir haciendo picos.

Para evitar esto los CNCs modernos utilizan el Look-Ahead. Con esta

funcin, como su nombre indica mirar en adelanto, el procesador del

CNC evala los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en

los bloques sucesivos al bloque que se est ejecutando. Conseguimos

con esto que el controlador sepa que se le va a pedir a continuacin y

pueda decidir en funcin ya no solo del bloque que se est ejecutando

sino de los bloques que tendrn que ejecutar posteriormente. Esto

permite mantener el avance a valores relativamente altos evitando

marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y

paradas de la mquina.

La forma ms habitual de especificar las trayectorias que debe seguir la

herramienta est basada en la generacin de una sucesin de puntos

entre los cuales se realizan interpolaciones lineales. Cuanta ms

precisin se exige, mayor es el nmero de puntos, y el hecho de tener

que procesar toda esa cantidad de informacin con precisin y a gran

velocidad impone la adopcin de soluciones especficas en los controles

numricos para alta velocidad como por ejemplo la interpolacin

polinmica mediante NURBS.

Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemticos que

definen exactamente una curva a partir de varios puntos de control, no

necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unos pesos asociados a

los mismos. Los pesos actan esencialmente como la gravedad,

produciendo deformaciones en la direccin de los puntos de control.

Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor ser el nmero de

puntos de control, pero en todo caso, el nmero de puntos generados

ser menor que el necesario utilizando la aproximacin tradicional por



tramos rectos. La reduccin en el nmero de puntos manejado en las

curvas habituales est en una proporcin de entre un 30 y un 50%.

Adems muchos de los paquetes de CAD trabajan internamente con

NURBS y por ello disponer de un CNC con capacidad de procesar NURBS

supone la eliminacin de un paso intermedio generador de un error a la

hora de aproximar una trayectoria curva a una multitud de tramos

rectos.

8. MATERIALES A MECANIZAR

El mecanizado de alta velocidad supone una buena solucin para el

mecanizado de materiales ligeros, como son las aleaciones de aluminio o

magnesio para la industria del automvil o la aeronutica y el

mecanizado de materiales compuestos o de titanio.

A continuacin, resumimos los resultados de estudios comparan la

fabricacin de piezas mediante un mecanizado de alta velocidad y otros

mecanizados posibles de dos aleaciones ligeras ampliamente utilizadas

en la industria aeronutica.

Ti6Al4V

La aleacin Ti6Al4V constituye ms de la mitad de todas las aleaciones de

titanio utilizadas en la industria.Las aleaciones de titanio constituyen un

material interesante, por su excepcional relacin resistencia/peso, por su

resistencia a la corrosin y por mantener sus propiedades a altas

temperaturas.

Aunque el mecanizado de alta velocidad aumenta la productividad al

fabricar pizas de estos materiales, algunas de las propiedades del titanio

limitan su maquinabilidad:

Tiene baja conductividad trmica, por lo que el calor no se disipa

fcilmente de la cara entre la herramienta y la viruta, lo cual provoca un

rpido calentamiento de la herramienta, acortando as su vida til.

Tiene una fuerte tendencia a alearse o reaccionar qumicamente con los

materiales de la herramienta a las temperaturas de trabajo. Esto hace

que la pieza se suelde a la herramienta, disminuyendo tambin su vida

til.

Posee un mdulo de elasticidad relativamente bajo, esto contribuye a

que la herramienta se emboce, tambin que los dientes golpeen contra

la pieza y otros fenmenos que hacen que las tolerancias sean malas.

Comparando los resultados de mecanizar las mismas piezas mediante

MAV y mecanizado convencional, se observ que las primeras

presentaban mayor nmero de defectos superficiales, que pueden

actuar como puntos de inicio de grietas, reduciendo as la vida a fatiga de



de las piezas.

Algunas de las soluciones sugeridas para evitar ese problema son:

Realizar una pasada de acabado para eliminar la capa daada.

Usar grandes volmenes del refrigerante adecuado.

Usar herramientas de corte que resistan la abrasin y las altas

temperaturas.

Sustituir la herramienta al primer indicio de desgaste.

UNS A92024

Se trata de una aleacin de cobre-aluminio, ampliamente utilizada para

fabricar elementos estructurales de las aeronaves.

Comparando el mecanizado rpido, la electroerosin y el corte por

chorro de agua abrasivo, el primero es el que proporciona menor

rugosidad superficial, siendo mejor el acabado en sentido longitudinal

que en el transversal, y en cualquiera de los dos mejor que para las otras

dos tecnologas.

MAV

[pic]

Water Jet

[pic]

Electro erosin

[pic]

Como conclusin, para materiales metlicos, sobre todo aleaciones

blandas de poca reactividad y no excesiva dureza, se recomienda el uso

de la Alta Velocidad. Para estos casos este proceso puede ofrecer tasas

de arranque de material y rentabilidades muy altas en comparacin con

otros procesos de fabricacin.

9. APLICACIONES DEL MAV

1. Principales campos de aplicacin y ventajas

Los principales campos de aplicacin del MAV son la fabricacin de

moldes y matrices. Pues en estos sectores el uso de la tecnologa de la

electroerosin ha estado y est a la orden del da y actualmente se est

viendo reducida o eliminada completamente del proceso, pues ahora



podemos utilizar el MAV para mecanizar materiales que antes no

podamos, gracias a los nuevos recubrimientos de las herramientas, y

tambin se pueden reproducir formas ms complejas y con radios ms

pequeos gracias a la estabilidad de los nuevos cabezales y la precisin y

dinmica del sistema de accionamiento, con el consiguiente aumento de

la calidad.

Gracias a esto se reduce el tiempo que se destina al acabado final de la

pieza, que generalmente requiere de personal humano, por esto mismo

adems se reducen costes y se pueden casi eliminar los procesos de

ajuste final (gracias a la precisin de la mquina y a la no- imprecisin 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.

2. Ejemplos de aplicacin

Seguidamente se presentan algunos de los ejemplos ms

representativos de los sectores de la matricera y de la fabricacin de

moldes:

Matrices para extrusin de aluminio.

Las matrices para extrusin de aluminio se utilizan en prensas de

extrusin que conforman el aluminio en perfiles. Estos se utilizan

bsicamente en la construccin (puertas, ventanas, etc.).

Pieza puente de una matriz de extrusin de aluminio.

Material Din 1.2344 a 54 HRc. Tiempo total de mecanizado: 2,5 horas.

Este sector tambin requiere grandes producciones de matrices pero en

este caso no repetitivas. De todas maneras las matrices de extrusin

tienen elementos morfolgicamente muy semejantes y el elemento ms

cambiante es el perfil de calibracin que se hace nicamente con

electroerosin de hilo.

Matrices de forja en caliente y fro.

Este sector tambin requiere piezas repetitivas, reduciendo por tanto el

coste de CAM por pieza fabricada. Los materiales utilizados en la forja en

caliente son aceros templados.

Matriz de forja caliente para la produccin debielas para el sector del

automvil. El material es soldadura de

muy baja maquinabilidad. Tiempo total: 2 horas

La forja en fro utiliza materiales todava ms duros y difciles de

mecanizar.



Este sector se debate todava entre la conveniencia o no de adoptar

mquinas de alta velocidad, o continuar con las mquinas de

electroerosin.

Moldes de inyeccin de aluminio.

Las exigencias del producto en este sector son muy parecidas al de los

moldes de inyeccin de plsticos y tambin, por lo tanto los beneficios

del mecanizado de alta velocidad.

En este caso los acabados superficiales no son tan crticos como en el

caso de los molde de inyeccin de plsticos al ser, en general, los

componentes de aluminio piezas funcionales no vistas. A dems la

misma inyeccin de aluminio no consigue cualidades superficiales a las

piezas muy buenas.

[pic]

Crter del motor una motocicleta. Las ranurasque conforman las aletas

de refrigeracin son muy profundas.

Material DIN 1.2344, 54 HRc. Tiempo: 9,5 horas

Moldes de soplado.

Estos moldes se utilizan para la fabricacin de botellas de plstico. El

molde se fabrica en aluminio porque al no existir mucho rozamiento del

plstico se pueden conseguir producciones bastante elevadas. Las

mquinas dedicadas a estos moldes han de tener caractersticas

adecuadas para estos materiales. El mecanizado del molde supone un

tiempo muy limitado.Los acabados superficiales son muy exigentes. El

mecanizado de alta velocidad puede ahorrar tiempo de pulido que es

porcentualmente, muy elevado en estos tipos de moldes. La produccin

de la botella de 1,5l de agua es muy intensa (algunos cientos de miles o

millones cada da) y por lo tanto se han de fabricar muchos moldes

iguales. Esto permite reducir los costes de programacin por molde, y

optimizar las trayectorias para intentar mejorar tiempos y acabados

superficiales.

Molde de soplado en material de aluminio.

Tiempo de mecanizado 56min. Rugosidad superficial: 0,6 m.

3. Especificaciones segn volumen de produccin

Segn el volumen de produccin estos elementos anteriormente citados

tienen distintas especificaciones. As podemos diferenciar volmenes

elevados (>500.000piezas/ao) para la industria del automvil, por

ejemplo, y volumen medio, bajo (>5.000piezas/ao) para el resto de

industria bsica.



Componentes en producciones de alto volumen

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 produccin total del componente. Los acabados superficiales

son excelentes y las velocidades de corte pueden aumentar hasta 1500-

2000 m/min.

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 aceleracin/ desaceleracin 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.

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 inyeccin. As el

mecanizado de la pieza parte del bloque y genera todas las formas

necesarias para la composicin del componente final.

Las herramientas pueden no ser de PCD debido a su elevado coste.

Como adems se han de mecanizar formas complejas la geometra de la

herramienta puede ser estndar.

Los cabezales necesitan mucha ms potencia que las aplicaciones de alto

volumen debido a la cantidad de material a desarrollar. La velocidad de

rotacin en cambio puede sacrificarse dependiendo de la pieza. A

menudo en estas piezas el ciclo de mecanizado ocupa ms de un 75% del

tiempo al desbaste. Por lo tanto la primera prioridad es reducirlo.

10. NUEVAS TENDENCIAS

En el campo del mecanizado de alta velocidad han surgido nuevas

aplicaciones entre las que destacan las siguientes:

Mecanizado, usando herramientas WC-Co no revestidas, de una nueva

superaleacin: TIMETAL 54M , abreviadamente, Ti54M. (M. Armendia,

A. Garay, L.-M. Iriarte, P.-J. Arrazola (2010)).

Acabado mediante torneado de alta velocidad y empleo del lser de la

aleacin de alto rendimiento Inconel 718 mediante condiciones de corte

secas (H. Attia, s. Tavakoli, R. Vargas, V. Thomson (2010)).

Mecanizado sin refrigerante o mecanizado en seco (dry machining).

Mecanizado de alta velocidad con microherramientas

1. Mecanizado de Ti54M

La introduccin de esta nueva aleacin de titanio en la industria



aeronutica puede producirse debido a que mantiene algunas de las

caractersticas de la aleacin Ti6Al4V, utilizada mayoritariamente, como

son el ratio resistencia-peso y que son compatibles electroqumicamente

(a diferencia del aluminio) con los materiales compuestos. Adems, la

diferencia fundamental del Ti54M respecto a Ti6Al4V es que este ltimo

es ms difcil de conformar que el primero, lo que conlleva un aumento

sustancial del coste de fabricacin de la pieza final. Segn diversos

estudios (Kosaka and Fox (2004) y Kosaka et al. (2004)) se concluy que la

maquinabilidad de estas aleaciones se vea fuertemente influenciada por

la microestructura. En concreto, que las aleaciones con mayor tamao de

grano, eran ms difciles de procesar mediante mecanizado, frente a las

aleaciones con tamao de grano ms fino. Otros autores (Egorova et al.

(2003)) descubrieron una mejora en el maquinabilidad del titanio cuando

decrecen los tamaos de los granos y de los componentes

microestructurales situados intra-granos.

Se prueba que la ltima aleacin de titanio (Ti54M) es ms maquinable

que la anterior (Ti6Al4V) debido a: comparando la velocidad mxima de

corte de cada aleacin, se deduce que la maquinabilidad de Ti54M es

entre un 10% y un 15% superior a la aleacin anterior; pese a que no hay

diferencias significativas entre ambas aleaciones en su comportamiento

durante el corte a bajas velocidad, se observa que a velocidades

superiores, el rendimiento de la herramienta es superior para la aleacin

Ti54M debido a que el desgaste en el flanco y el desgaste por crter en la

herramienta son inferiores; y por ltimo, que las fuerzas de corte en la

aleacin Ti54M son inferiores a las necesarias para procesar Ti6Al4V.

2. Operaciones de acabado de Inconel 718 en condiciones de operacin

secas

El Inconel 718, al igual que otras aleaciones del nquel, es muy usado en

las industrias aeroespacial y nuclear debido a su resistencia a la

corrosin, a su dureza y a su solidez a altas temperaturas. Sin embargo,

estas aleaciones son difciles de mecanizar debido a su baja

conductividad y difusividad trmica, lo que causa altos gradientes de

temperatura en el borde de la herramienta y que la mxima temperatura

se localice en la plaquita de corte. Otros factores que influyen en su baja

maquinabilidad son el endurecimiento por deformacin en fro durante

el mecanizado, la adhesin de material a la herramienta y la presencia de

carburos duros y muy abrasivos y de diversas fases intermetlicas en su

microestructura.

En este estudio se intent optimizar el acabado mediante mecanizado de

alta velocidad del IN718, mejorando la vida de la herramienta, la calidad

superficial y la productividad, y adems, evaluar la utilizacin de

herramientas cermicas de nitruro de silicio en el mecanizado de alta

velocidad en seco con el objetivo de reducir el impacto medio ambiental

y los costes. Se obtuvo que en las mejores condiciones para el acabado

de IN718 se pueden obtener: una importante reduccin de las fuerzas de

corte en comparacin con el mecanizado convencional; una mejora del



acabado superficial de en torno a un 25%; un incremento en la tasa de

remocin del material del 800%. Adems, el empleo del lser no genera

microdefectos en el material ni cambio de fase por sobrecalentamiento.

La ausencia de salpicaduras de material, que por el contrario haba en el

mecanizado, y el aumento de la zona de deformacin plstica, son

indicativos de las beneficiosas tensiones residuales de compresin que

hay en la capa subsuperficial de la pieza mecanizada.

3. Dry machining

A pesar de las numerosas ventajas de los fluidos de corte que hemos

descrito anteriormente, dichos fluidos presentan tambin aspectos

negativos. Por una parte est el inconveniente econmico ya que

consumen una parte nada despreciable de del coste del mecanizado

(puede que entorno al 15%) en las diferentes fases de adquisicin, uso y

posterior procesado (legislaciones sobre la eliminacin de residuos).

El otro inconveniente viene de un punto de vista de la salud y el medio

ambiente, ya que se produce una disminucin de los riesgos de inhalar

los humos o neblinas que se producen en la zona de corte debido a las

altas temperaturas, que tambin pueden provocar alergias e irritaciones

de piel e incluso pneumonitis. Las normativas tambin avanzan en este

sentido, limitando la cantidad de gramos de refrigerante por m3 que

puede haber en un taller donde se est mecanizando (normativa OSHA).

En este contexto aparece el mecanizado en seco (dry machining), que

supone la completa eliminacin de los fluidos de corte. Algunos procesos

de mecanizado son ms adecuados para ser usados en seco, como el

fresado o el mandrinado (open-faced machining), donde hay ms

facilidad para eliminar la viruta y hay menos inconvenientes para evacuar

el calor. Sin embargo, procesos como el taladrado y el roscado (closed-

face machining) presentan mayores inconvenientes. Los avances en

recubrimientos que soporten altas temperaturas son un aspecto clave

para el desarrollo de esta tecnologa, como por ejemplo el TiAlN, que

puede ser utlizado a temperaturas de incluso 900C, y que mezclado con

carburo de tungsteno mejora an ms sus propiedades.

Otra tecnologa encaminada a disminuir el uso de fluidos de corte es el

mecanizado con mnima cantidad de refrigerante (MQL o near dry

machining). Este proceso implica la aplicacin de cantidades muy

pequeas de fluido en la interfaz pieza-herramienta, suministrado en

forma de aerosol. Para ello la manguera suministra aire a presin y un

pequeo caudal de lquido (0,01 a 0,5 l/min) que son mezclados en una

tobera. Presenta inconvenientes a la hora de mecanizar grandes

volmenes, y el consumo de de refrigerante no disminuye como parece

lgico, puesto que es usado una vez y no recircula. Esto tambin es malo

desde el punto de vista sanitario, pues que se pueden producir mayores

neblinas que en el caso de refrigerar de forma convencional.

Hay que sealar que el mecanizado en seco es una tcnica previa e



independiente al MAV, sin embargo son tecnologas que pueden

complementarse entre s. El mecanizado seco y el NDM no sustituirn al

mecanizado hmedo al menos en un futuro prximo, sin embargo

ofrecen soluciones viables para algunas aplicaciones.

11. ASPECTOS ECONMICOS DEL MAV

El mecanizado MAV necesita un entorno tecnolgicamente complejo y

presenta algunas cuestiones ms o menos crticas que encarecen el

equipamiento con respecto al convencional, planteando condiciones

especiales:

A las mquinas-herramienta, su control, proteccin y supervisin.

A los elementos de sujecin de herramientas de fresado.

A las herramientas (material, forma y geometra).

A la preparacin del trabajo y programacin (condiciones de corte,

estrategias, optimizacin de trayectorias).

Estas condiciones especiales, al mismo tiempo pueden resultar

limitaciones a la aplicacin del MAV. Los factores y por tanto elementos

crticos de los que depende la tcnica del MAV son:

Material mecanizado

Estrategias de corte

Herramienta de corte

Funciones del CNC

Parmetros de proceso

Programas en CAM

Mquina de alta velocidad

A la hora de decidir sobre el empleo de tipo de mecanizado, el fin de toda

empresa es el de satisfacer las necesidades de sus clientes y obtener

beneficios al hacerlo. En consecuencia, la decisin respecto a la

tecnologa a emplear acaba siendo econmica. Las consideraciones

tcnicas respecto a su viabilidad son limitaciones a la decisin sobre lo

ms o menos rentable. Al hacer un anlisis econmico sobre la

viabilidad se deber tener en cuenta:

Qu tipos de pieza mecaniza

o En qu cantidades

o Con qu frecuencia

o Qu riesgo existe que su product mix cambie de forma sustancial en un

futuro

Cules son los conocimientos de su organizacin

o Cuntos operarios conocen tecnologa MAV

o Cuntos operarios deber formar en uso de CAD/CAM

Cul es su parque actual de mquinas

Cules van a ser los costes de operacin. Tener en cuenta:

o Coste de las mquinas y accesorios (ej. portaherramientas)



o Coste y vida de las herramientas

Cul es la disponibilidad financiera

A continuacin se muestra una tabla ejemplo comparativa entre el MAV y

la electroerosin donde adems de los factores mencionados

anteriormente se muestran otros que pueden hacernos decidir sobre

que tecnologa emplear:

|ASPECTO |MAV |ELECTROEROSIN |

|Personal |Gran conocimiento del saber hacer en mecanizado. |Menor

conocimiento sobre saber hacer en electroerosin |

|Carga de los |-Excelentes cargas de trabajo |-Excelentes cargas de

trabajo |

|equipos |-Una sola preparacin para la pieza acabada |-Es posible

combinar con otra tecnologa para el acabado|

|Proceso |-Utillaje especial, comprobacin de colisin |-No es necesaria

la comprobacin de colisin |

| |-Programacin en 6 ejes para conseguir geometras complejas |-Con

movimientos simples conseguimos todas las |

| | |geometras |

Segn un estudio realizado sobre la economa del mecanizado, se

desarrollan los siguientes trminos.

El costo de mecanizado por pieza, que vendr dado por la siguiente

frmula

Cpieza = Cmecanizado+Cpreparado+Ccarga+Cherramienta

donde:

- Cmecanizado es el costo de mecanizado y es igual a Cmecanizado =Tm

(Lm + Bm)

Tm es el tiempo en horas que tarda la maquina

Lm es el salario por hora del operario

Bm es el costo de maquina

- Cpreparado es el costo no productivo, Este es un precio fijo en pesos

por pieza.

- Ccarga es el costo de carga y descarga de piezas a maquinar y es igual a

Ccarga = Tc(Lm +Bm), donde Tc es el tiempo de carga y descarga de una

pieza.

- Cherramienta es el costo de herramienta, suele ser del orden de un 5%

del costo total de mecanizado y est dado por Cherramienta =[pic] [Th



(Lm + Bm) + Dc] donde Np es la cantidad de piezas fabricadas por

herramienta, Th es el tiempo necesario para cambiar la herramienta y Dc

es el costo de la herramienta intercambiada.

El tiempo de mecanizado por pieza, que ser resultado de la siguiente

frmula,

[pic]

Donde Tm depende de la operacin a realizar.

Con estos trminos se obtienen unas graficas de maquinado Coste-Vc (a)

y Tiempo-Vc (b):

Se debe utilizar la zona de trabajo en el intervalo de alta eficiencia para

buscar as el mejor compromiso entre alta productividad en el menor

tiempo posible y menor costo por pieza.

En el MAV, dado el elevado valor de sus centros de mecanizado, la

viabilidad econmica es justificada en la produccin seriada de piezas,

que ocupen a la maquina el mayor tiempo posible.

Para hacernos una idea del valor de estas mquinas, segn proveedores

una fresadora de alta velocidad de 5 ejes de 24000 rpm tiene un valor de

210000, y maquinas mayores pueden alcanzar 500000 e incluso el

milln de euros.

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Proveedores. CMI Aeronutica. www.cmiaeronautica.com

REVISTAS

American Journal of Industrial Medicine

CIRP Annals - Manufacturing Technology

International Journal of Machine Tools and Manufacture

Journal of Materials Processing Technology

Materials and Design

Metal Science and Heat Treatment

FOROS

TMS 2010 Symposium: Cost-Affordable Titanium III



Proceedings of the 10th World Conference on Titanium

High Speed Machining: 6th International Conference. San Sebastin

SPAIN 21st 22nd March 2007

High Speed Machining: 8th International Conference. LUXEMBOURG 26th

28th March 2010

ANEXOS

Linear Motors

Linear motors are electric motors that produce motion in a straight line

rather than rotational motion. In a traditional electric motor, the rotor

(rotating part) spins inside the stator (static part); in a linear motor, the

stator is unwrapped and laid out flat and the "rotor" moves past it in a

straight line. Linear motors often use superconducting magnets, which

are cooled to low temperatures to reduce power consumption.

Linear motors (more correctly known as linear induction motors) are

electric motors that produce straight-line rather than rotational motion.

The basic principle behind the linear motor was discovered in 1895, but

practical devices were not developed until 1947. It was at this time that

British electrical engineer Eric Laithwaite started to consider whether

linear motors could be used in electric weaving machines. Laithwaite's

research at Imperial College, London attracted international recognition

in the 1960s following a speech to the Royal Institution entitled "Electrical

Machines of the Future."

Linear motors are now used in all sorts of machines that require linear

(as opposed to rotational) motion, including overhead traveling cranes

and beltless conveyors for moving sheet metal. They are probably best

known as the source of motive power in the latest generation of high-

speed "maglev" (magnetic levitation) trains, which promise safe travel at

very high speeds but are expensive and incompatible with existing

railroads. Most research on maglev trains has been carried out in Japan

and Germany.

In a traditional electric motor, a central core of tightly wrapped magnetic

material (known as the rotor) spins at high speed between the fixed poles

of a magnet (known as the stator) when an electric current is applied. In

an electric car, motors like this are used to drive gears and wheels and

convert rotational motion into motion in a straight line.

A linear motor is effectively a normal electric motor that has been cut

open and unwrapped. The "stator" is laid out in the form of a track of flat

coils made from aluminum or copper and is known as the "primary" of a

linear motor. The "rotor" takes the form of a moving platform known as

the "secondary." When the current is switched on, the secondary glides



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past the primary supported and propelled by a magnetic field.

Linear motors have a number of advantages over ordinary motors. Most

obviously, there are no moving parts to go wrong. As the platform rides

above the track on a cushion of air, there is no loss of energy to friction

or vibration (but because the air-gap is greater in a linear motor, more

power is required and the efficiency is lower). The lack of an intermediate

gearbox to convert rotational motion into straight-line motion saves

energy. Finally, as both acceleration and braking are achieved through

electromagnetism, linear motors are much quieter than ordinary motors.

Herramientas

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(2011, 03). Mecanizado De Alta Velocidad. BuenasTareas.com. Recuperado 03,

2011, de http://www.buenastareas.com/ensayos/Mecanizado-De-Alta-

Velocidad/1654319.html

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