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Mecanizado de alta velocidad

Conos porta-herramientas para mecanizado de alta velocidad

Aitzol Lamikiz, José Antonio Sánchez, Miguel A. Salgado / Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco15/12/2002

1.- INTRODUCCIÓN

El montaje de las fresas en los centros de mecanizado es (otro más) un factor de suma importancia a la hora de obtener piezas con la suficiente precisión dimensional y calidad superficial. Esta sujeción debe cumplir por otra parte una serie de requisitos, tales como:

  • Montaje y desmontaje de la herramienta en la máquina debe ser sencillo

  • Permitir el cambio automático de éstas

  • Ajuste preciso con el husillo de la máquina

  • Permitir un perfecto alineamiento del eje de la herramienta con el eje del husillo

  • No introducir pérdidas de rendimiento ni rigidez en el sistema

  •  ...

De aquí se puede deducir que un buen sistema portaherramienta no va a mejorar el comportamiento de una herramienta mal elegida o de un husillo dañado. Sin embargo, un mal sistema portaherramienta si puede reducir la vida de la herramienta y del husillo.

El papel de los conos en el MAV no es distinto al que poseen en el mecanizado convencional. Sin embargo, el gran incremento de velocidad del husillo (desde 6.000 rpm en convencional hasta 40.000 en MAV) ha obligado a replantearse aspectos como la unión del cono con el husillo o el equilibrado de los conos. Esto es debido a que la fuerza centrífuga depende del cuadrado de la velocidad, por lo que esta fuerza crece de manera dramática en el MAV.

2.    CONOS ISO - HSK

Los conos porta herramientas tipo ISO establecen su posición cuando un actuador (hidráulico o neumático) tira de él produciéndose un asiento del cono dentro de otro cono tallado en el eje del husillo. Si la velocidad de giro aumenta, la fuerza centrífuga también, provocando la expansión del eje del husillo. Cuando esto sucede, los conos ISO, tienden a introducirse más dentro del husillo debido a que el actuador sigue tirando de él. Esto puede desencadenar 2 problemas:

  • Imprecisión en el mecanizado, debido al desplazamiento que ha sufrido la herramienta respecto al husillo.

  • Atoramiento del cono en el caso de que el husillo frene de forma brusca y recupere sus dimensiones.

Estas circunstancias hacen que los conos más extendidos en las máquinas de alta velocidad sean los HSK.

Cono ISO Cono HSK

Las principales ventajas que ofrecen los conos HSK se deben fundamentalmente a dos factores.

Por un lado, el sistema de amarre se realiza mediante unas garras o mordazas que se ajustan en un hueco tallado dentro del cono en forma de copa. A medida que la velocidad de giro aumenta se garantiza el contacto en todo momento, ya que la fuerza centrífuga expande las mordazas que sujetan el cono contra el eje del husillo. Esta circunstancia permite unas condiciones de corte más agresivas, además de aportar mayor rigidez y precisión que los sistemas basados en conos ISO.

Por otro lado, en la unión del cono y el husillo, existe un doble contacto entre las superficies del cono y el alojamiento del eje. El doble contacto ofrece mayor repetitibilidad a la hora de volver a colocar el cono. Además se evita que el conjunto cono-herramienta se introduzca dentro del husillo, cosa que sucedía en el caso de conos ISO con altas velocidades

 

HSK ISO

 

Posición amarrada

Posición de cambio de herramienta

Sección del sistema de amarre del cono Posiciones amarrada y suelta del cono

Las máquinas que utilizan conos ISO son más propensas al chatter que las que utilizan HSK, debido a que la unión entre cono y husillo no es tan rígida. La menor rigidez de esta unión hace caer la frecuencia natural de vibración más baja y obliga a limitar los parámetros de mecanizado, debiendo ser éstos menos agresivos.

Existen muchos tipos de conos HSK. Éstos se clasifican con 2 ó 3 cifras y una letra, por ejemplo HSK-63A (el más común). Las cifras dan el diámetro exterior del plato que asienta sobre la cara del husillo. La letra indica el tipo de cono en función de diversos factores como longitud, etc. En general, esta letra es:

  • A: Tipo general
  • B: Tiene un plato mayor que el A. Se utiliza para trabajos más agresivos.
  • E y F: Iguales que A y B pero eliminando marcas y sistemas de guiado que afectan al equilibrado

Una de las principal desventaja de los conos HSK, es su sensibilidad a la presencia de partículas como viruta o lubricante. Si no se han limpiado correctamente las superficies de contacto en la operación de cambio de herramienta podrían quedar virutas en el husillo que impiden el correcto asiento del cono. También es posible que se llene de impurezas la cavidad del cono donde deben entrar las mordazas para su amarre. Esta sensibilidad a las impurezas obliga a extremar los cuidados en los cambios de herramienta. Una posible solución es soplar cada cono antes de amarrarlo.

3.    SUJECIÓN DE LA HERRAMIENTA

En general se busca una unión que cumpla los siguientes requisitos:

  • Precisión, para minimizar la desalineación de la herramienta con el eje del husillo (minimizar el runout)

  • Buscar la máxima rigidez a la unión

  • Simetría del conjunto para evitar desequilibrio

Existen diversos métodos de sujeción de herramientas al cono, pero los más comunes son la sujeción mecánica mediante pinza, cono hidráulico y zunchado térmico.

3.1    Sujeción mecánica mediante pinza

Es el método más utilizado. Se basa en introducir la herramienta en una pinza y ésta en el cono. Tras esta operación, se aprieta una tuerca que empuja los segmentos de la pinza contra la herramienta, ejerciendo presión sobre la misma. Las pinzas están divididas en segmentos para que distribuyan la presión sobre toda la superficie de la herramienta de forma uniforme, además de facilitar su deformación.

Cono de sujeción mecánica

Este sistema es válido para la gran mayoría de las aplicaciones del MAV, además de resultar económico. Otra ventaja de este sistema es que se pueden tener distintas pinzas para un solo cono, pudiendo montar herramientas de diferentes diámetros en un solo cono.

En cuanto a precisión, una pinza de alta calidad puede dar una desalineación de 7- 8 mm a 25 mm desde el plano de la cara del cono. Estos resultados se consiguen con conos y pinzas de muy alta calidad, donde el ajuste se realiza de forma manual.

Para algunas operaciones, las pinzas de sujeción mecánica no son lo suficientemente rígidas o precisas. En estos casos se deben utilizar los conos hidráulicos o de zunchado térmico. Ambas técnicas aportan mayor rigidez y precisión que la sujeción mecánica.

3.2    Conos hidráulicos

Los conos hidráulicos amarran la herramienta mediante un sistema hidráulico. Rodeando al orificio por donde se introduce la herramienta hay una membrana metálica. Adyacente a ésta se encuentra un depósito de fluido (en la parte interior del cono). Mediante el accionamiento de un tornillo, éste mueve un émbolo que aumenta la presión del fluido hasta valores muy elevados. Esta presión es ejercida contra la membrana que sujeta la herramienta firmemente.

Sección de cono hidráulico

Debido a que todo el sistema hidráulico está aislado del exterior, las impurezas como la grasa, viruta, etc. no pueden dañar el sistema de amare.

Los conos de sujeción hidráulica minimizan la desalineación (runout) de la herramienta respecto al cono. Según algunas marcas comerciales, se puede llegar a valores por debajo de los 2.7 mm medidos a una distancia de 2.5xÆhta desde el final del cono.

Además de precisión y rigidez, los conos hidráulicos son capaces de soportar fuerzas de corte elevadas (tanto laterales como de torsión).

Como gran desventaja que plantean los conos hidráulicos se puede achacar por un lado su elevado coste, hasta 5 veces más que uno convencional y, por otro, que sólo se pueden utilizar herramientas de un solo diámetro con cada cono. Algunos fabricantes resuelven este último problema permitiendo introducir unas membranas adicionales entre la original y la herramienta, ofreciendo así diferentes diámetros en un solo cono. Estos fabricantes aseguran que cada membrana puede introducir una desalineación adicional de 1mm aproximadamente.

Por lo general, este tipo de conos se utilizan en operaciones de acabado y en el mecanizado de moldes en materiales duros.

3.3    Zunchado térmico

Son una alternativa a los hidráulicos. A diferencia de estos últimos, no disponen de ningún sistema interno que ejerza presión para sujetar la herramienta. En vez de esto, el cono es macizo con un taladro de precisión donde encaja la herramienta.

A temperatura ambiente, el agujero es ligeramente menor que el diámetro de la herramienta. Utilizando un calentador por inducción, se calienta el cono y el orificio para la herramienta se dilata. Una vez dilatado suficientemente, se introduce la herramienta y se deja enfriar hasta temperatura ambiente. Al enfriarse el cono recupera sus dimensiones sujetando fuertemente la herramienta. Este método sujeta la herramienta al cono con una excelente rigidez y una desalineación (runout) muy baja, al igual que en los conos hidráulicos. Además, debido a que no son necesarios elementos como tornillos, etc. para sujetar la herramienta, pueden ser perfectamente simétricos, lo cual resulta en desequilibrios muy bajos.
Equipo calentador por inducción Conos de zunchado térmico

Los conos empleados para el zunchado térmico son mucho más sencillos que los hidráulicos y menos costosos. Sin embargo es necesario adquirir el calentador por inducción como equipo adicional.

4.    EQUILIBRADO

Un sistema desequilibrado es el que tiene su centro de masas desplazado del eje de rotación del sistema. En función de la masa y del desplazamiento, se originará un grado de desequilibrio mayor o menor. Al hilo de esta definición, cabe decir que el sistema perfectamente equilibrado no existe como tal, y lo que se debe conseguir es un grado de desequilibrio admisible por el sistema.

El desequilibrio es un fenómeno que produce vibraciones, sobre todo a altas velocidades. Estas vibraciones producen pésimas calidades superficiales y puede provocar roturas de herramienta y de husillo. Este desequilibrio no es tan importante en el mecanizado convencional, ya que depende del cuadrado de la velocidad, luego si se pasa de 4.000 rpm a 20.000 rpm, el efecto del desequilibrio se incrementa en un factor de 25.

Es obvio, por tanto, que para velocidades altas en el husillo (MAV) se requieren herramientas equilibradas para obtener buenas calidades superficiales y vidas de herramientas aceptables. El equilibrado busca contrarrestar los efectos negativos de la excentricidad del sistema husillo - cono - herramienta. Esta excentricidad indica la distancia entre el centro de masas de la herramienta hasta su eje de rotación.

El desequilibrio se puede producir por
  • Presencia de elementos asimétricos en el cono portaherramientas (tornillos, marcas, etc.)

  • Guías que no son perfectamente simétricas

  • Imperfecciones en el propio cono

Otra fuente de desequilibrio son las propias herramientas y pinzas. Cuando se adquiere un cono equilibrado, suele estarlo sin contar con los demás elementos. Es necesario realizar el montaje de todos elementos de forma precisa, ya que sino se introducen desequilibrios. Además estos serán mayores cuanto más pesada y larga sea la herramienta. El MAV obliga el uso de herramientas simétricas, no siendo en absoluto aconsejable utilizar herramientas desequilibradas como brocas de un solo filo, etc.

El problema real no es el desequilibrio en si, sino la combinación de este desequilibrio con altas velocidades de giro del husillo. La fuerza debida a este desequilibrio es de la forma:

 

Fdeseq: Fuerza debida aldesequilibrio en Nw
U: Desequilibrio en g· mm

S: Velocidad del husillo en rpm.

En la figura se puede observar la fuerza de desequilibrio para distintos niveles de desequilibrio.

Valores de la fuerza obtenidas para diferentes desequilibrios de herramienta

Si el desequilibrio es grande (6 a 8 g·mm) la fuerza debida al desequilibrio puede ser del orden de la fuerza de corte, sobre todo en operaciones de acabado. Como norma general se debe mantener la Fdeseq por debajo de las fuerzas de corte.

Actualmente, la norma más extendida para establecer este equilibrado es la ISO 1940-1. Este estándar establece distintas “clases G”. Cuanto menor sea la clase G, mejor equilibrado implica. Muchos fabricantes de conos están produciendo conos de clase G1.0 a G2.5. Este valor G dicta el máximo desequilibrio utilizando la fórmula:

 

U: Desequilibrio admisible [g·mm]
S: Velocidad del husillo en rpm
m: masa del sistema [Kg]
G: Clase G dado por ISO 1940 - 1

 

Valores de desequilibrio en función de la clase G y de la velocidad de giro

A pesar del uso de la norma ISO, ésta fue diseñada para el equilibrado de rotores de turbinas, por lo que los valores de desequilibrio obtenidos son en ocasiones excesivamente restrictivos para la mayoría de las aplicaciones de mecanizado. Otro problema es que, según la norma, se permite un desequilibrio mayor a las herramientas más pesadas, cuando estudios experimentales demuestran que cuanta mayor sea la masa de las herramientas, menos desequilibrio es permitido. Como conclusión, se puede decir que el uso de las clases G son muy restrictivas y aumentan los costes de equilibrado de conos, pero que sirve para que el usuario que adquiere el cono tenga una garantía de su correcto equilibrado. Aún así, existen numerosas discrepancias sobre la extrapolación de esta norma.

Por último, para minimizar el desequilibrio del conjunto herramienta – cono (y pinza si existe), se puede: 
  • Minimizar el runout de la herramienta
  • Siempre que sea posible, utilizar herramientas cortas
  • Manipular el conjunto con sumo cuidado.

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