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Hoy se emplean técnicas de fresado a alta velocidad en partes o zonas concretas

Los aerogeneradores también generan nuevas estrategias de mecanizado

Josep Alsina y José Mª Martínez, departamento técnico de Iscar Ibérica

13/10/2016

El desarrollo de la energía eólica ha requerido de nuevas formas y estrategias para mecanizar sus componentes. Los diseños de sus componentes no tenían un precedente, son estructuras con características relativamente nuevas, de manera que se ha tenido que acondicionar el herramental, el utillaje e incluso las máquinas, y además evolucionar las estratégicas de mecanizado de acuerdo con los nuevos diseños. Desde el inicio en España, Iscar Ibérica detectó esta necesidad, y como proveedor de fabricantes de otros bienes de equipo decidió iniciar un proceso de estudio, diseño y propuestas que les ha convertido en un gran especialista con soluciones adecuadas en todos los componentes de un aerogenerador. El presente artículo nos introducirá en este mundo, relatando las propuestas que se han implementado y que pueden hacer rentable esta fabricación.

España es uno de los primeros países donde la energía eólica se convierte en la mayor fuente de energía, en momentos incluso por encima de la nuclear. Desde 1999 hasta ahora en el mundo no ha dejado de crecer la potencia instalada y en nuestro país fue creciendo hasta el cambio de criterio del gobierno que en los últimos años ha detenido en buena parte las instalaciones y con respecto a la fabricación ahora esta ceñida en buena parte a la exportación. A finales de 2014 existían 19 fabricantes de aerogeneradores, 270 fabricantes de componentes, 140 promotores y unas 280 empresas de servicios.

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Virola y anillo superior.

Futuro y tendencias

Se evoluciona hacia aerogeneradores de mayor potencia. En el año 2000 se diseñaron de hasta 5 MW y 120 metros de altura total. Ahora en 2015-16 ya se está en 10 MW y 178 m de altura, y se espera para 2020 alcanzar los 20 MW y hasta 250 metros de altura. Se trata de incrementar el tamaño y potencia de las nuevas instalaciones al tiempo de ir modificando las existentes por aerogeneradores de mayor potencia. El desarrollo técnico es veloz y conviene adecuarse de forma continua. Como tendencia a destacar se incrementaran los parques eólicos en su versión marina debido a su menor afectación al ecosistema, mayor rendimiento debido a que la velocidad del viento es más estable en el mar, además su vida útil puede ser más larga y se precisan torres de menor altura que en tierra.

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Mecanizado de componentes

Entremos en detalle. En Iscar Ibérica se creó un área especializada en este sector constituida por técnicos experimentados en componentes de gran tamaño y en estrategias de mecanizado, proyectistas tanto en diseño de útiles/herramientas especiales y análisis de procesos de fabricación idóneos. Iscar abarca por tanto soluciones para todos los componentes erigiéndose en un gran especialista del sector.

Principales componentes a mecanizar:

  • Torres, con virolas de estructura soldada y brida superior.
  • Bujes, parte principal para la sujeción de las palas y transmisión de la rotación.
  • Bastidores, soporte básico de mecanismos del multiplicador y el generador.
  • Multiplicadores, caja multiplicadora de las revoluciones de las palas al generador.
  • Generador de electricidad

Estos componentes no tienen precedentes en la industria. Los diseñadores avanzan técnicamente sobre la experiencia del proyecto precedente. Una mayor potencia requiere de componentes de mayor envergadura y peso y todo hay que elevarlos e instalarlos sobre una torre que supera los 100 metros y estará sometida a esfuerzos y tensiones altísimos, estamos hablando de componentes entre 10 y 40 toneladas sin los mecanismos internos. Se preven los diseños mediante componentes modulares en función de la posibilidad de montaje, teniendo en cuenta que la tecnología proporciona de forma continuada cada vez mayor rendimiento.

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Buje típico antes y después con gran cantidad de taladrado y grandes mandrinados.
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Brocas multifunción con elevados avances.

Soluciones para el mecanizado

  • Virolas de acero de cosnstrucción de bajo contenido de carbono. Se mecanizan básicamente los chaflanes para la soldadura de las chapas. Estas son de dimensiones importantes y en ángulos distintos exterior e interiormente. Para ello se han diseñado fresas multidiente cónicas o juegos de fresas/disco multidiente acopladas para chaflanado simultáneo con la tecnología Iscar de sólidas geometrías de plaquita tangenciales pero con corte positivo, hay que mecanizar aceros con bajo contenido en carbono con la carga máxima en longitudes importantes.
  • Bridas de acero de bajo contenido en carbono, forjadas o cortadas desde ‘tubos’ forjados de gran dimensión. En este último supuesto hay que ‘cortar’ los aros en tornos verticales. Iscar hace cualquier aplicación posible aporta en este caso productos que permiten elevadas profundidades. En todos los casos deben tornearse, las geometrías tangenciales LNMX 221024 para torno pueden emplearse a Vc. de 190 m/minuto, con avances de 2 mm/rev y profundidades de 10 mm. La brida superior generalmente va dentada para hacer posible el giro de la denominada ‘góndola’ que es la gran caja que contiene todos los mecanismos de generación y que debe orientarse con giro preciso para obtener la adecuada posición para obtener el máximo rendimiento de las palas de rotor. Para este dentado de gran módulo se recurre a Ingersoll, compañía del mismo grupo y especialista en el fresado/dentado con fijación mecánica mediante fresas de roscar se alcanzan avances entre 520 a785 mm/minuto, con reposición rápida, sin afilado, sin perder el recubrimiento y si la máquina lo dispone, de refrigeración interna. Se han aportado soluciones como doble fresa acoplada para el desbaste (de 1 sola pasada dos dientes desbastados) reduciendo los tiempos de dentado un 50%. Más adelante veremos en los multiplicadores que Ingersoll nos aportará nuevas soluciones.
  • Bujes. Es la pieza que sujeta las palas del rotor y transmite el movimiento de rotación por medio del eje al multiplicador. Acciona también el giro de las palas en la búsqueda del ángulo más conveniente para obtener el óptimo rendimiento de la fuerza del viento. Son de fundición nodular GGG40 ó GGG50 y requieren en general fresadora/mandrinadora de columna móvil de tamaño en altura que supere mínimamente los 3,5 metros útiles. El uso de mesa giratoria es indispensable y si es inclinable mucho mejor. La potencia disponible recomendada debe ser superior a los 40 kW en husillo y cada vez más es aconsejable disponer de potencia cercana a los 80 kW. Una de las operaciones principales es el planeado, que se realiza a velocidades elevadas (250/280 mm/minuto) y avances fz de entre 0,3-0,6 mm/diente y el angulo de posición/ataque de la fresa de alrededor de 65º y como las creces superficiales oscilan alrededor de los 15 mm se precida potencia para planear con rapidez. Una estrategia empleada por Iscar en el mandrinado, con sus aproximadamente 30 mm de creces, es el fresado por interpolación circular mediante fresas de alto rendimiento, fresas de escuadrar o con fresas Feed-Mill de Iscar de altísimo avance por diente, hasta 3 mm incluso también en interpolación cónica. Cada supuesto tiene una experimentada solución con resultados óptimos reduciendo las vibraciones incluso en voladizos importantes. En operaciones de acabado se emplean cabezales de mandrinado equilibrados con unidades micrométricas en diámetros grandes alcanzando con estándares hasta Ø1.200 mm, incluso soportes específicos para cada máquina para diámetros superiores a los 800 mm con composición modular para abarcar amplias gamas. El buje, junto a los bastidores, exige en su diseño amplias zonas mecanizadas en zonas posteriores al mandrinado paralelas al fresado planeando periferico. Se han desarrollado específicas fresas de disco con cartuchería modular adecuada que permiten el fresado posterior con estrategias de mecanizado que hacen posible alcanzar avances de fresado de hasta 3.000 mm/minuto y además a velocidades superiores a 300m/minuto. Estas fresas oscilan entre 600 y 850 mm de diámetro y han reducido el tiempo de mecanizado entre 4 y 6 veces respecto a charriones o cabezales autónomos de refrentado.
  • Bastidor. Es el soporte de los mecanismos del multiplicador, eje y generador eléctrico. También de fundición nodular es el elemento de mayor dimensión y peso. Los bastidores han evolucionado en su forma casi año a año, en función de la potencia y peso haciéndolos más manejables en lo posible. Tratándose de diseños absolutamente nuevos, al igual que en los bujes, se tiene la sensación que en el diseño no siempre se prevé como fabricarlo/mecanizarlo, incluso fundirlo y a veces repercute en serias dificultades para el mecanizado incrementado muchas veces el coste de la operación. Es deseable una mayor conexión entre marca de diseño y fundidores y mecanizadores que optimice el proyecto desde el inicio. El hecho que la mayoría de mecanizadores o fabricantes de componentes sean subcontratados y no la propia marca quién los fabrica, entorpece esta conexión, sería un gran avance tal como decíamos que se optimize el diseño con la aportación de los que lo fabricaran. Tanto en el fresado como en el mandrinado, así como en los refrentados posteriores, ranurados y escuadrados, se emplean las estrategias definidas anteriormente para los bujes pero incrementado los voladizos, concepto que puede condicionar el método, y con aún mayor complejidad en las fijaciones y definición en las operaciones. Este último concepto en muchas ocasiones los mecanizadores lo consultan con Iscar Ibérica, la experiencia con multitud de diseños y antecedentes nos hace conocedores de los límites de las máquinas y herramientas tanto estándar como especiales. El trabajo en coordinación es siempre recomendable ya que como la tradición asevera: en piezas de gran tamaño y complejas solo hay un método operatorio idóneo, otros son posibles pero no rentables.
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Propuestas de elevado rendimiento con doble fresa, con reducciones de tiempos del 50%.

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Bastidor.

Taladrado

Merece un capítulo general por su gran incidencia tanto en bujes como en bastidores, incluso en ejes y anillos. Gran cantidad de taladros con o sin rosca con cajeras anteriores, fondos protegidos, chaflanes y refrentados posteriores ocupan un gran porcentaje del tiempo de mecanizado. En esta área Iscar Ibérica tomó el reto de reducir los desplazamientos largos, los tiempos de cambio y los posicionados en lo posible. Se diseñaron cuerpos de broca con características específicas de hélice, canales de evacuación, conductos de refrigeración, etc. para simultanear unificadas las operaciones en una sola herramienta con 3 y 4 diámetros u operaciones distintas. Al tratarse de un gran especialista en taladrado mediante fijación mecánica, se diseñaron geometrías, calidades y formas que permiten el taladrado simultáneo a alta velocidad, con velocidades superiores a los 250 y hasta 300 metros/minuto y avances en función de los diámetros que alcanzan y superan los 1.000 milímetros por minuto. Para el refrentado posterior se han generado herramientas de cuello de cisne para cada caso, en fijación mecánica, así como para la extracción de probetas por trepanado.

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Refrentados posteriores a altos avances.
  • Multiplicador. Es la caja de cambios que eleva las bajas rotaciones de las palas, unas 13 revoluciones. para obtener el número de vueltas que permitan generar electricidad al generador aproximadamente 1.500 revoluciones. Básicamente se trata de carcasa, ejes y engranajes, respecto los ejes su mecanizado está en línea con otros tipos de cajas de reductoras y no hay aportaciones destacables, si las hay en carcasas cuando son de estructura soldada siempre proclive a las vibraciones o en ocasiones en modelos fundidos. Con fresas Feed-Mill para planear se alcanzan grandes avances de entre 6.000 y 8.000 milímetros por minuto y sustituyendo también a herramientas de mandrinar cuando hay voladizos importantes mediante interpolación circular o en hélice. En las caras de unión el empleo de plaquitas rascadoras tangenciales garantiza la planitud y se realiza el semi-acabado y acabado en la misma pasada. El escariado se planteó con sistema Bayo ultra rápido a 100 metros/minuto y con avances de 1.500 milímetros/minuto como ejemplo, 10 veces mas rápido que los convencionales. El dentado de engranajes, siempre bajo la batuta de Ingersoll tal como vimos en los anillos/corona, aplicando fresas madre de fijación mecánica con la total garantía del más experimentado fabricante mundial. Módulos de 10 hasta 36. En fresas madre de segmentos de elevada precisión o incluso fresas de dentar con refrigeración interna. El generador, al ser un producto suministrado por el propio fabricante y de procedencia distinta a la que nos ocupa no lo consideraremos en nuestra estudio/resumen.
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Multiplicador y fresa madre de fijación mecánica para grandes módulos.

Conclusión

Sin entrar en detalle exahustivo hemos visto cómo la tecnología de corte también ha generado estrategias y herramientas específicas más aún, por ejemplo: se están empleando técnicas de fresado a alta velocidad en partes o zonas concretas aprovechando al máximo las cualidades de control direccional de los controles numéricos o la optimización de la potencia disponible en cada momento.

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Principales componentes de un aerogenerador de pala variable.

El departamento técnico de Iscar Ibérica asesora, diseña y fabrica desde las instalaciones de Barcelona, cerca del usuario, con la experiencia en el sector y con sus productos propios. Se trabaja en operaciones llaves en mano con fabricantes en España, con los grandes subcontratadores que son auténticos pilares de esta industria, con la puesta en marcha en planta, siempre cerca del usuario, así como en ejecuciones para la exportación o para talleres satélite ubicados en los países de origen, siempre bajo el lema de la compañía ‘Donde la innovación nunca se detiene’.

Empresas o entidades relacionadas

Iscar Ibérica, S.A.

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