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La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad

Juan Martín - Técnico Comercial Juan Martín, S.L. // Lluc Castellano Almoril15/12/2002
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 (aproximadamente 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.

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

La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la herramienta cuando el cabezal gira a las revoluciones necesarias para arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de 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.

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

El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre el corte de uno de los dientes y 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.

1.3 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:

Ec 1

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.

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

Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente, la reducción del tiempo 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.

1.4.1 Aceleración / desaceleración del cabezal

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

Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo sólo 2 o 3 segundos si se 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.

1.4.2 Tiempo de cambio de herramienta

En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la acción que más hace aumentar 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

1.4.3 Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes

Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los tiempos de posicionamiento. En 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.

1.4.4 Tiempo de cambio de palet

En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se minimizan utilizando cambios de palet (o tabla) para poder hacer la preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una 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.

1.5 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.

1.5.1 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.

1.5.2 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.

1.5.3 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.

1.6 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:

Ec 2

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:

Ec 3

Ecuación 3

p>La propia masa de la estructura responde a la ecuación:
Ec 4

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.

  1. 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.

2.1 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.

2.1.1 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.

2.1.2 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.

2.1.3 Materiales políméricos

Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.

Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de la máquina-herramienta. 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\1km\2

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.

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

2.2 Estructura

La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y amortiguación a las vibraciones, a la vez 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.

2.2.1 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.

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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:

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Ecuación 16

#########

Ecuación 17

donde H es la dimensión de la zona guiada. Estas consideraciones se pueden comprobar en la figura 7.

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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.

2.2.2 Guías

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

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

2.2.2.1 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).

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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.

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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.

2.2.2.2 Guías de rodadura

Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El elemento fijo 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.

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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.

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

2.3 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.

2.3.1 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.

2.3.1.1 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.

2.3.1.2 Uniones directas

Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos del husillo y del eje del motor. 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.

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Fig. 13.- Zona de unión del eje

2.3.2 Husillo de bolas

Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento rotativo del motor en movimiento 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:

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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.

2.4 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:

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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:

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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.

2.4.1 Rodamientos

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

No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la precarga con los que 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.

2.4.2 Método de lubricación

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

2.4.3 Generación de calor

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

2.4.4 Fuerza de sujeción

La rigidez del cabezal no se podría valorar por completo si no se tuviesen en cuenta los tipos de 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

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

2.4.5 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.2.4.5.1 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).

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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.

2.4.5.2 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).

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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.

2.4.5.3 Cabezal con acoplamiento directo

Este tipo de cabezal elimina las vibraciones y los ruidos de las transmisiones, por lo que se puede llegar 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.

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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.

2.4.5.4 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.

2.5 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).

2.5.1 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.

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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.

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Fig. 24.- Centro de mecanizado horizontal  con dos de los ejes situados debajo del cabezal, y donde el que el cambio de herramienta se encuentra aislado por una puerta

2.5.2 Cambio automático de palets

El cambio automático de palets intenta dar autonomía a la máquina e integrar el tiempo de preparación de 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.

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

2.5.3 Evacuación de la viruta y refrigeración del corte

Los altos rendimientos de corte que se han visto se pueden conseguir con el mecanizado de alta velocidad, tienen que ser asegurados por sistemas de extracción de la cantidad de viruta que se extrae y mejorados 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.

2.6 Control térmico y evacuación del calor

A lo largo del apartado 2 se ha hecho referencia a la generación de calor de los sistemas de la máquina-herramienta, y entreviendo algunos de los sistemas de evacuación que se utilizan. En este apartado 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:

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Ecuación 21

donde ΔL es el aumento de longitud de un cuerpo de longitud L, ΔT 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.

2.6.1 Motores de los ejes

El calor generado en el motor es proporcional a las aceleraciones que se desee obtener. Este calor se 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.

2.6.2 Husillo de bolas

El calor generado en el husillo de bolas se produce básicamente en la fricción de la rosca del husillo y en 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 :

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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.

2.6.3 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 ΔT 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.

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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

2.6.4 Área de trabajo y sistema de refrigeración del corte

En general las estructuras de las máquinas envuelven o suportan la zona de trabajo. En esta zona 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.

2.6.5 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.

3.1 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.

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Fig. 32.- Vista de la parte posterior del centro de mecanizado Urane de alta velocidad del fabricante Renault Automation (actualmente parte del grupo Comau)

3.2 Mecanizado por láser

En los últimos años la firma alemana Deckel-Maho ha presentado una tecnología que puede sustituir 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.

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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

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Juan Martín, S.L.

Comentarios al artículo/noticia

#1 - Ramiro M. Bracco
02/01/2010 4:26:45
exelente post, te felicito

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