Mecanizado de Alta Velocidad: un conjunto de tecnologías nuevas

Javier Aranceta (Ideko) hablaba de en aquel entonces cuando se refería a las tecnologías de mecanizado de hace tan sólo 3 años. Xabier de Maidagan, de Ona Electroerosión, puso la vista en el futuro, y criticó la forma en que se llevaron a cabo algunas comparaciones entre fresado de alta velocidad y electroerosión, perjudiciales para el usuario: "una inversión errónea en alta velocidad puede llevarse por delante una empresa pequeña o mediana"

La Bizkor (que en euskera significa veloz), fue desarrollada por Tekniker para el mecanizado de materiales ligeros, especialmente a efectos de demostración. Con este desarrollo, el centro tecnológico perseguía adquirir experiencia en el desarrollo de máquinas de alta velocidad, en la utilización de motores lineales, en la fabricación de estructuras ligeras y disponer de un banco de pruebas útil para futuros proyectos de máquinas de alta velocidad.

Objetivo: más calidad y reducción del time to market

Entre los objetivos a perseguir una industria metalmecánica que utilice máquinas-herramienta se encuentran:

• obtener los más altos ratios posibles de eliminación de material
• conseguir tolerancias dimensionales cada vez más estrictas - sobre todo en algunos sectores concretos
• conseguir tolerancias de acabado que permitan que los rozamientos y la eficiencia del proceso en el que vaya a estar involucrada la pieza sea lo más rentable y eficaz posible
• reducir los tiempos de mecanizado
• reducir los costes de uso de las herramientas

Hace tres o cuatro años estos objetivos se perseguían mediante herramientas clásicas, con condiciones de mecanizado bastante conservadoras para disminuir esfuerzos en el proceso de copia y evitar malformaciones, tanto en la herramienta como en la máquina o en la propia pieza. Había que evitar vibraciones para mejorar el acabado superficial. Y evitar sobrecalentamientos. Todo ello requería máquinas rígidas y muy pesadas y tornos térmicamente estables especialmente en mecanizados de muy larga duración y largos tiempos de mecanizado.

Afortunadamente la investigación en materiales han permitido desarrollar recubrimientos de herramientas que permiten aumentar notablemente las velocidades de corte, por lo menos las teóricamente permisibles. La velocidad de mecanizado venía limitada por la temperatura, el agotamientos y otros factores. Distintas bibliografías pueden dar valores ligeramente distintos en función del material (figura 1), pero las mostradas en la figura 1 son las comúnmente aceptadas.

Fig1.- Márgenes de velocidad de corte de distintos materiales. En verde, la "zona de transición".

En la zona roja se observa cómo con nuevos recubrimientos es posible superar las condiciones conservadoras hasta ahora establecidas. La tabla sugiere que, con poca fuerza de, y teóricamente, y en casos muy concretos, es posible conseguir algunas ventajas. Las principales son:

• gran volumen de inacción del material por unidad de tiempo
• mejor calidad superficial
• fuerzas de corte pequeñas, lo cual permite la realización de mecanizados de piezas de pared delgada, hasta ahora muy difíciles
• ventaja adicional: las frecuencias de excitación escapan del margen crítico de frecuencias de vibración de la máquina - con lo que disminuye el riesgo de vibraciones y se alterar el transporte del calor, que se canaliza a través de la viruta.

No basta con una nueva herramienta

Para establecer estos requisitos no basta con una herramienta con el recubrimiento necesario o el que aconseje el fabricante, sino que es preciso arropar todo el sistema con distintos elementos que van mucho más allá de la propia herramienta. Es preciso tener muy en cuenta las posibilidades y limitaciones del cabezal de las herramientas, hay que reestudiar el fluido, y la máquina debe ser capaz de responder a las velocidad de mecanizado deseada y al perfil objetivo.

En cuanto a los controles numéricos ya no basta con programar cota a cota o con funciones sencillas: las velocidades y las dinámicas de las máquinas a considerar requieren funciones especializadas, funciones que permitan prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en el instante de tiempo siguiente.

Para conseguir tolerancias dimensionales estrictas es preciso controlar muy bien la temperatura, y otorgar mucha mayor atención que hasta ahora a la estrategia del mecanizado. A saber: filo herramienta, geometría, material, proceso que ha de seguir el programa de control numérico. Se pueden obtener grandes ventajas en cuanto a la herramienta y el mecanizado atendiendo a la estrategia de mecanizado con mayor detenimiento que hasta ahora.

Nuevo concepto de cabezal

El límite tradicional de los cabezales venía dado por la temperatura alcanzada por los rodamientos.

A lo largo del tiempo se han conseguido algunos logros y avances puntuales, cambiando los recubrimientos de las pistas de rodadura, utilizando híbridos cerámicos-acero o cambiando las lubricaciones. Recientemente han hecho aparición en el mercado los cojinetes electromagnéticos: ya no hay contacto y, en principio, desaparecen las limitaciones en cuanto al giro (si bien aparecen limitaciones en su excitación) y se consigue una vida media útil mucho mayor. Es un nuevo concepto

• Fuente: Balzers-Elay

• El elemento que ha posibilitado que estas herramientas puedan trabajar a estas velocidades ha sido el estudio de nuevos materiales. En la figura 3 se muestran los coeficientes de rozamiento de algunos de los recubrimientos más utilizados en capas aisladas o en capas combinadas. Teniendo en cuenta que el coeficiente de fricción de acero contra acero está en torno a 0.8 se observa cómo el calor que se puede generar a iguales velocidades de corte puede ser bastante más reducido que los tradicionales. Estas ventajas también se producen al eliminar o reducir el fluido refrigerante. Sin embargo, hay herramientas que tienen un rango estrecho de utilización óptima.

  Cada pieza a mecanizar tiene su conjunto óptimo de recubrimiento de la herramienta, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado. Incluso, debido a las legislaciones medioambientales, el fluido refrigerante puede ser función del país, pues puede requerir un proceso que no sea viable al no existir procesos alternativos. En definitiva, cada pieza requiere su propio compromiso.

  El control numérico debe ser muy rápido. Hay que obtener ciclos por debajo del segundo. Debe tener cierto grado de previsión (look-ahead), de forma que pueda esperar qué cambios de velocidades, aceleraciones y cotas llegarán en el instante de tiempo posterior, y ello para poder reaccionar con el tiempo suficiente teniendo en cuenta las características dinámicas y la respuesta de la propia máquina.

  Otra tendencia que está confirmada ya es la tendencia a controles abiertos, controles en los que el usuario final pueda incluir su propio software para el control de temperaturas, de vida de la herramienta, etc.

  Estabilidad térmica: clave para mantener las tolerancias

  Para conseguir buenas tolerancias dimensionales, especialmente en mecanizados de larga duración, es muy importante la estabilidad térmica. También hay mecanizados en los que, aunque la duración del propio proceso no sea elevada (por ejemplo en el caso de taladros rápidos para mecanizar una caja) pueden transcurrir pocos minutos pero, sin embargo, requieren una serie muy larga y muy repetitiva en cuanto a tolerancias. El control de la temperatura es pues fundamental.

  Ventajas del mecanizado de alta velocidad	Campo de aplicación	Ejemplos
  Gran volumen de corte por unidad de tiempo	Aleaciones ligeras de metal, acero y fundición	Sector aeronáutico Fabricación de moldes y troqueles
  Alta calidad superficial	Mecanizado de precisión Piezas especiales	Óptica Mecanizado de precisión superficial
  Fuerzas de corte pequeñas	Mecanizado de piezas de pared delgada	Sector aeronáutico Sector automóvil
  Frecuencias de excitación elevadas	No mecanizado en frecuencias críticas	Mecánica de precisión Industria óptica
  Transporte de calor a través de la viruta	Mecanizado de piezas con influencia crítica del calor	Mecánica de precisión

  Así pues, habrá que procurar la eliminación de las fuentes de distorsión térmica. Tradicionalmente, se mantiene la máquina en un entorno de temperatura controlada, pero en ocasiones ello no es posible. Así pues, los fabricantes de máquinas deben de tener en cuenta este factor en sus diseños constructivos,.de forma que las fuentes de calor lo repartan de manera uniforme sin que sea aplicado en puntos concretos para poder compensarlo mucho mas fácilmente.

  Limitaciones de la alta velocidad Relación del diámetro de las herramientas con la profundidad y la calidad Relación del diámetro de las herramientas con la velocidad de giro del cabezal. En ocasiones se habla de llegar hasta las 70.000 rpm pero, si se esta trabajando aluminio con ciertos diámetros, haría falta llegar a 100.000 rpm, cosa que hoy por hoy la tecnología no permite El control numérico debe ser tal que pueda prever la trayectoria hacia donde se va para poder establecer estrategias. El sistema CAM también tiene que ser capaz de realizar estrategias, dado que la mentalidad de la alta velocidad es completamente diferente a la del trazado convencional Precio actual de las maquinas

  Desde el punto de vista de la estrategia de mecanizado se trata de reducir fuerzas de corte, tiempos de mecanizado y mejorar la vida del útil. Y no de factores tales como el ángulo de ataque, simplificación de perfiles o reducción del numero de herramientas a utilizar.

  Seguridad redoblada

  Existe también un factor añadido: el riesgo que supone una masa moviéndose a muy alta velocidad. La energía cinética aumenta con el cuadrado de la velocidad, y ésta resulta ser en la práctica hasta un orden de magnitud superior a la del mecanizado convencional: la energía involucrada en estos procesos es muy elevada. Ello implica protecciones para el usuario que pueden suponer un incremento de coste adicional con respecto a lo que tradicionalmente se considera una protección (chapa, cristal). Tienen que estar preparadas para soportar impactos de mayor envergadura (carenados, etc). El control numérico tiene que permitir entradas y salidas rápidas para reaccionar con prontitud. Y las masas en rotación tienen que estar equilibradas con mucho más cuidado.

  Cuidado con las comparaciones

  Xabier de Maidagan admitió que la alta velocidad comienza a ocupar cierta parte de mercado de un tipo de aplicaciones hasta ahora cubierto por la electroerosión, pero lamentó con vehemencia el sesgo existente en muchas de las comparaciones que se realizan entre el MAV y la electroerosión - a menudo en centros financiados con fondos públicos.

  Las estimó faltas de rigor por confundir al usuario en la medida en que se presentan como una panacea a partir de conclusiones realizadas sobre situaciones no comparables. Mostró piezas para las cuales un conocedor de la electroerosión nunca consideraría esta tecnología, pero que habían sido usadas para presentar el mecanizado de alta velocidad un como un 60% más rápido que realizada por electroerosión, con más razón por cuanto se contabilizaba el tiempo de fabricación de unos taladros.