La máquina-herramienta del futuro

La EMO París 99 cuenta en esta edición con un nuevo entorno ferial que alcanza los 12.000 metros cuadrados, y es que los organizadores han volcado todo su esfuerzo en ofrecer, tanto a expositores como a visitantes, las mejores condiciones para llevar a cabo una feria de esta envergadura. Entre los objetivos del equipo organizador cabe destacar la importancia concedida a los constructores de máquinas especiales, un tipo de expositor por lo general ausente en este tipo de eventos debido a la dificultad para mostrar su oferta.

La deformación recibirá también una atención especial. En este campo, los tipos de piezas que se fabrican son cada vez más variados y las innovaciones de las máquinas están dirigidas fundamentalmente a la mejora de la productividad, la precisión y la calidad de las piezas.

La gran velocidad está a la orden del día en el trabajo de la chapa y se hace especial hincapié en la velocidad de desplazamiento de los ejes. Muchos constructores han rediseñado sus instalaciones de punzonado y sus mesas de corte para poder integrar mejor los motores lineales. Actualmente, se registran velocidades de desplazamiento de entre 160 y 180 m/min y aceleraciones del orden de 3 g (30 m/s2).

Para mejorar la productividad, los constructores también se interesan por el desarrollo de las fuentes láser. Algunos asocian las cabezas de corte independientes conectadas por fibras ópticas a dos fuentes Yag de 800 W. En CO2, la utilización de fuentes láser más potentes (de 3,5 a 5 kW) también hace posible aumentar las velocidades de corte en grandes espesores, ganando al mismo tiempo en fiabilidad. Otra acción consiste en embarcar las fuentes láser (generalmente de tipo de Slab de emisión continua) sobre un pórtico corredero, de forma que se genere un camino óptico muy corto. También hay que señalar el desarrollo de los diodos láser que tienen la ventaja de ocupar muy poco espacio y pueden ser montados en el extremo del brazo del robot.

Los constructores también se han esforzado en reducir el tiempo que se tarda en cambiar de una serie a otra con, por ejemplo, plegadoras de panel con un cambio casi inmediato. Todas estas máquinas pueden integrarse en talleres flexibles de chapistería. En lo que se refiere a la seguridad, la alimentación con robots de las prensas plegadoras permite reducir en gran medida los riesgos.

La alta velocidad obliga a replantear la estructura de las máquinas

En lo que respecta al arranque de viruta, la práctica totalidad de fabricantes de fresadoras y centros de mecanizado poseen modelos de gran velocidad en sus gamas. Comparados con los que se presentaron en la EMO de Hannover, las máquinas-herramientas de alta velocidad de la EMO París 99 han sido diseñadas para la gran velocidad prestándose especial atención a la estructura de la máquina y a su asociación con el control numérico. Para ello, los constructores no han dudado en replantearse la estructura de los centros de mecanización. Por ejemplo, en los centros de 5 ejes, la estructura de tipo pórtico permite obtener mejores coeficientes de rigidez y frecuencias propias muy elevadas. La dinámica de los sistemas de mando hace que se pueda trabajar en fresado a velocidades superiores a los 10 m/mn en todos los ejes y con aceleraciones de 4 m/s asociadas a precisiones de trayectorias inferiores a las 15 micras. Los motores de husillo de 15.000 a 24.000 revoluciones permiten mecanizar tanto en desbastado, como en acabado y superacabado. Hay que señalar también la gran homogeneidad en las soluciones que se proponen: velocidades de desplazamiento en modo rápido de 80 m/mn, 1 g de aceleración, y también un tiempo de 5 segundos para cambiar la herramienta y de 8 segundos para cambiar la paleta. Estamos lejos de las máquinas tradicionales que se contentaban con integrar un husillo a gran velocidad.

Los motores lineales "entran" en las grandes dimensiones

El otro desarrollo importante, es la integración de los motores lineales en las máquinas de mecanizado de gran velocidad para constituir centros de mecanizado de alta velocidad. Este es un campo en el que los constructores europeos están particularmente bien situados. Hasta ahora, estas tecnologías se limitaban al campo de los centros de mecanizado de paletas de 450x450 mm. En la EMO París 99, la tecnología de los motores lineales estará disponible en fresadoras de grandes dimensiones (piezas de hasta 12 metros). Según el constructor, las aceleraciones alcanzan hasta 0,5 g y las velocidades de avance de los ejes son de 40 m/mn y, en función de la utilización final, pueden elevarse hasta los 60 m/mn.

No hace falta demostrar el interés que tiene para la realización de formas muy complejas y de piezas de dimensiones muy reducidas cuando la máquina está en constante régimen de aceleración y frenado. En este caso, la solución del motor lineal proporciona un ahorro de tiempo evaluado en un 20 o 40%, con un sobrecoste limitado. Otro caso de utilización: el tiempo de las máquinas sin contar el arranque de viruta que representa una parte importante del ciclo (aplicación en grandes series para remplazar a las máquinas transfer).

Esta tecnología de motorización de los ejes lineales sustituye toda la transmisión mecánica por un circuito magnético fijado entre los raíles de guía. La gran ventaja reside en el aumento de las aceleraciones: se elimina la inercia propia del motor y del husillo con bolas circulantes. Las transmisiones clásicas están limitadas a 10 m/s/s, mientras que la tecnología de los motores lineales permite alcanzar los 100 m/s/s, a lo que hay que añadir el aumento de las velocidades de desplazamiento que se duplica (100 m/mn en lugar de los 50 m/mn de las máquinas clásicas), y el aumento de la precisión en la colocación gracias a la simplificación de la cadena cinemática. Los inconvenientes son, además del precio, el débil empuje (que algunos fabricantes compensan asociando varios motores lineales) y la importancia de los campos magnéticos (molestos para las virutas). Hay que señalar que algunos fabricantes proponen una solución intermedia, utilizando husillos a bolas circulantes refrigeradas para limitar el aumento de la temperatura.

En las máquinas de mecanización de alta velocidad, la obsesión de los constructores es eliminar al máximo los tiempos improductivos. Un esfuerzo que se refiere en primer lugar a los cambiadores de herramientas para reducir el tiempo viruta a viruta. Los fabricantes desarrollan soluciones de alto rendimiento con ciclos de permutación de herramienta de un segundo, lo que hace que el tiempo de cambio viruta a viruta sea de 3 a 4 segundos.

Otra preocupación de los constructores es la alimentación de piezas brutas. Este año está previsto que en la EMO París 99 se puedan ver los sistemas de alimentación de piezas llamados inyectores, cuyo nombre indica la rapidez de ciertos sistemas.

Reducir al máximo el uso de fluidos

Podremos comprobar en numerosos stands la tendencia a la supresión del riego o a la utilización de una cantidad mínima de fluido de corte, que ha sido una importante demanda de la industria del automóvil, motivada por los costes de los fluidos. En una operación de mecanizado, se estima que el coste de las herramientas asciende al 50% del coste y el coste del riego al 30% en los medios de tipo de línea transfer, a los que hay que añadir el coste de la recogida y nuevo tratamiento de los efluentes.

Entre las soluciones que se proponen destacan la colocación de recubrimientos sobre las herramientas (tipo bisulfuro de molibdeno) que actúan sobre la naturaleza del frotamiento entre la herramienta y el material, el empleo de materiales de mejor mecanización (inclusiones controladas de sulfuros, silicatos) o la búsqueda de nuevos materiales. Por ejemplo, en el sector del automóvil en Alemania, el paso a la mecanización en seco se ha llevado a cabo paralelamente al cambio de materiales (paso de la fundición al aluminio altamente silicatado). La herramienta trabaja en seco y las virutas son aspiradas.

La técnica de micropulverización consiste en enviar una cantidad mínima de fluido de corte sobre el contacto herramienta/pieza mediante soplado a través de una boquilla. Las pequeñas cantidades consumidas (entre 10 y 100 ml/h) permiten que se utilicen fluidos de gran calidad como son los aceites vegetales o los aceites sintéticos. Hoy en día ya se comienza a ver las ventajas como la reducción de los costes de explotación, mejora de la productividad, virutas secas, limpiezas de los puestos y eliminación de las estaciones de lavado. En contrapartida, la mecanización en seco o micropulverización tiene una incidencia en el diseño de las máquinas-herramienta. Algunos fabricantes, en unión con los fabricantes de husillos, anuncian un riego mediante pulverización fina de lubricante a alta presión a través del husillo, mientras que otros se replantean el arrastre y evacuación de las virutas que ya no se lleva a cabo con el fluido de corte (banco inclinado, aspiración de las virutas...). Se necesita aún trabajar en las operaciones de orificios no pasantes.

Nuevas soluciones para las herramientas y sus fijaciones

A nivel de las herramientas de corte, se pone de relieve la disminución de los costes de las herramientas: plaquetas indexables (redondas o cuadradas) con 8 aristas de corte, fresas y husillos con cabeza de carburo intercambiable en sustitución de las fresas de carburo monobloque. En el ámbito de la gran velocidad, aumenta sensiblemente la oferta de fresas de carburo monobloque recubierto (los depósitos de tipo PVD-CVD se aplican en la alta velocidad, mecanizado en seco o con lubrificación reducida.

En las herramientas de perforación, surgen nuevos materiales de base y dan origen a las brocas bicarburo, una clase de carburo tenaz se encuentra en el centros de la broca y una clase de carburo duro en la periferia con riego central para evacuar mejor la viruta.

En lo que respecta a las fijaciones de herramientas, se impone la solución cono hueco HSK desarrollada para la alta velocidad. Todos los fabricantes europeos de máquina-herramienta la emplean a partir del momento en el que la velocidad de rotación es superior a las 10.000 rpm. Para el mecanizado de alta velocidad, los fabricantes de fijaciones recomiendan uniones portaherramienta/herramienta de corte tipo hidráulico. Asimismo, también se recomienda la utilización de máquinas de equilibrado.

Mecanizado simultáneo en 4 ejes

La optimización de las operaciones de torneado está relacionada con la reducción de los tiempos de carga de la pieza y el aumento del número de operaciones de fresado y perforación que puedan realizarse en los centros de torneado multifunciones. Por ejemplo, los centros de torneado duplican la producción mediante la mecanización simultánea en 4 ejes. El resultado se obtiene solicitando las herramientas de la torreta inferior y de la superior que mecanizarán simultáneamente los diámetros interiores y exteriores. Las células de torneado pueden integrar un robot pórtico de 3 ejes CNC de alta velocidad que manipulará las piezas. La automatización de la máquina puede incluir las funciones de control automático, detección de roturas de herramientas, gestión de la duración, detección de las variaciones de par... Esta solución permite obtener dos mecanizados idénticos o un primer y un segundo lado, por giro exterior en la zona de mecanización.

En torneado, el mecanizado a alta velocidad se aplica a materiales como los aceros tratados de difícil mecanización. El torneado duro propone una solución alternativa frente a la rectificación. En el mecanizado de alta velocidad con materiales clásicos, los límites están directamente relacionados con la dificultad de apriete de una pieza colocada en mandril que gira a gran velocidad. Los especialistas admiten actualmente que es difícil superar una velocidad de corte superior a los 1.500 m/mn. Entre las últimas realizaciones a descubrir se encuentra un torno que dispone de un carro portaherramientas montado sobre motores lineales que puede alcanzar los 75 m/mn, y una máquina de torneado con un husillo estándar que gira a 10.000 rpm en opción.

El aumento de la velocidad de corte beneficia la rectificación cilíndrica

La rectificación cilíndrica presta especial atención a las ventajas que presenta el aumento de la velocidad de corte. Se han anunciado máquinas capaces de realizar operaciones de rectificación entre los 80 m/mn y los 230 m/mn en las versiones más rápidas. Todos o casi todos los fabricantes de muelas proponen muelas CBN (nitruro cúbico de boro) y diamante con aglutinantes metálicos, cerámicos o de depósito electrolítico capaces de rectificar a más de 120 m/s. Una nueva gama de muelas CBN combina las ventajas del CBN y de una estructura de aglutinante que permite un acabado por rodillo diamantado de forma.

Los diámetros de las muelas oscilan entre 3 y 1.000 mm, y permiten cubrir toda la gama de aplicaciones de rectificación incluyendo la rectificación cilíndrica, la talla en la masa, el perfilado, la rectificación de doble disco y sin centro. Se pueden mejorar las aplicaciones de rectificación cilíndrica de gran serie utilizando muelas centradas de gran velocidad en fibra de carbono. La rectificación de doble disco facilita fundamentalmente las realizaciones de grandes series en acero duro o en acero blando. Los demás avances tecnológicos afectan a los mandos, la seguridad y el rociado.

Estructuras más rígidas en las máquinas de medir tridimensionales

Las máquinas de medición tridimensionales son ahora capaces de responder a las peticiones de medición y control a cadencias elevadas en los talleres de mecanización. Para ello, se apoyan en una estructura rígida de configuración abierta que amortigua las vibraciones naturales del taller a frecuencias que rondan los 24 Hz. Todos los elementos móviles están equipados con rodillos lineales especiales de recirculación de bolas, que se desplazan sobre pistas de rodadura templadas y rectificadas. El arrastre rígido y preciso se lleva a cabo mediante husillos con bolas circulantes de grandes dimensiones acopladas a rodamientos con doble hilera de bolas en contacto oblicuo precargado. La velocidad máxima de colocación por eje alcanza los 0,3 m/s con una aceleración máxima de 1 m/s/s. Robustos como una máquina-herramienta, protegidos de la contaminación ambiente, menos sensibles a las variaciones térmicas y a las vibraciones, estas máquinas responden a los imperativos vinculados a las elevadas cadencias de producción en un entorno de taller, garantizando al mismo tiempo una precisión de medición de 5 micras.

Configuración abierta en base a PC

Integrados directamente en las máquinas o utilizados como complemento en la cadena de producción, los automatismos participan en gran medida en la consecución de la alta velocidad. Paralelamente, la aparición de nuevas herramientas, como los CNC, el CAD/CAM o la digitalización, contribuyen a reducir el tiempo improductivo.

Todos los fabricantes de control numérico de 32 bits y 64 bits, se han reunido en torno al tema de la configuración abierta en base PC. Las ventajas están vinculadas al éxito del PC en informática: facilidad de utilización con windows, posibilidad de configurar fácilmente el interfaz hombre/máquina, cómoda utilización de los diversos programas de gestión de herramientas y de procesos procedentes de diferentes constructores, conexión en red con los demás PC de la empresa, facilidad de reparación mediante internet, edición de informes diarios o semanales sobre el número de piezas, las velocidades de los husillos, detallando los datos de producción y el estado de la máquina en tiempo real.

En robótica, están anunciados nuevos materiales, desde el más pequeño (robot paralelo) hasta el más grande (robot pórtico), pasando por las células que se suministran llave en mano: instalación de corte, célula de soldadura al arco... Estos materiales tan rápidos (120 artículos por minuto) disponen de brazos de fibra de carbono con el fin de que la masa en movimiento sea lo más ligera posible. Asociado a un sistema de visión y a programas de pilotaje en PC, el robot ya no necesita ser programado; el usuario define el objeto y enseña a reconocerlo al sistema de visión.

También están anunciadas herramientas de simulación 3D en PC NT para la robótica de ensamblaje, que permitirán que un ingeniero pueda programar directamente una célula virtual, es decir, sin disponer de un robot real y a falta de un entorno. De este modo, el usuario puede anticipar los errores de programación, detectar los riesgos de choque y calcular el tiempo de ciclo.

La industria lo exige

Automóvil, aeronáutica, armamento, mecánica y electrodomésticos. Todos estos sectores sufren actualmente importantes mutaciones que suponen métodos de mecanizado adaptados e innovadores. Configuración de las máquinas, cambio de herramientas, conducción de la pieza, colocación husillo/herramienta, evacuación de la pieza, etc. Para obtener el máximo rendimiento, el centro de mecanizado debe hoy en día tener en cuenta no sólo el tiempo de la mecanización propiamente dicha, sino también y sobre todo, el tiempo aparte de la mecanización, que representa el 85% del tiempo del ciclo total de producción.

Este artículo, realizado a partir de la información ofrecida por la organización de la feria, ha sido posible gracias a la colaboración de todos los expositores que estarán presentes en la EMO París 99.