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Mecanizado de Alta Velocidad: un conjunto de tecnologías nuevas

Ferran Puig15/01/2000
La mesa redonda sobre mecanizado de alta velocidad que se celebró en el Palacio de Miramar de San Sebastián en el marco del Congreso sobre Máquina-Herramienta y Tecnologías de Fabricación puso de manifiesto las heridas que el MAV puede causar a las tecnologías clásicas en general y a la electroerosión en particular, pero sirvió para clarificar conceptos, defender los derechos de los usuarios y la cooperación entre distintas tecnologías. Describimos en este informe los temas referidos a la alta velocidad que se presentaron y se debatieron en este decano congreso.

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.

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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

Características de distintos
recubrimientos de herramientas
Características TiN TiCN WC/C CrN TiAIN
Multicapa
TiAIN
Microdureza 2.300 3.000 1.000 1.750 3.000 3.500
Coeficiente de rozamiento
contra acero
0,4 0,4 0,2 0,5 0,4 0,4
Temperatura máxima de trabajo 600 400 300 700 800 800
  • 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.

  • Características de la electroerosión

  • Independiente de la dureza de material
  • Sólo es aplicable a materiales conductores (actualmente en los moldes y las matrices de troquelería son fabricados con materiales conductores
  • Necesidad de fabricar un electrodo con la forma a obtener
  • Necesidad, según casos de hacer un pulido manual. (en matrices de forja no hará falta, pero en un molde, por lo general, si)
  • Capacidad de mecanizar formas complejas a profundidades importantes. Debido a que no hay esfuerzos mecánicos, pueden ser formas muy pequeñas, electrodos muy esbeltos y se puede llegar a rincones inaccesibles hoy por hoy para la alta velocidad.

Limitaciones de la electroerosión

  • No se puede conseguir cualquier rugosidad en cualquier superficie. Nosotros podemos decir, muy orgullosos que conseguimos rugosidad VDI0 (0,15 micras RA, pulido espejo), pero no mas allá de 50 mm de diámetro. Existe una relación directa entre la superficie máxima y la rugosidad mínima.
  • La electroerosión es un sistema relativamente nuevo de mecanización

Para mejor ilustrar su argumentación acudió provisionalmente al sensu contrario, mostrando realizaciones imposibles de obtener con la alta velocidad, indicando que sería deshonesto por su parte declarar más eficiente la tecnología de la electroerosión en base a este ejemplo.

Acudió también a la historia reciente ejemplificando sobre la aparición del corte por láser para el que, tras las maquinas de electroerosión por hilo, muchos usuarios estimaron que el láser no sobreviviría. No fue así. A la aparición de la electroerosión por hilo se preguntaron por cuál era la mejor. Depende.

Solución: colaboración entre tecnologías de efecto sinérgico

Hay una diversidad de piezas mecanizables por alta velocidad y otras por electroerosión. Y, en muchas ocasiones, distintas fases de mecanizado o de acabado pueden ser realizadas con las diferentes tecnologías. Es pues preciso estudiar colaboraciones y avances tecnológicos para evitar que los usuarios tengan que acatar a ciegas la inversión de una maquina de uno u otro tipo. Es preciso realizar estudios comparativos de piezas en las cuales existe competencia entre tecnologías; analizar los aspectos técnicos y económicos de una tecnología pero sin olvidar ninguno, con el fin de conocer con rigor la inversión necesaria.

Finalmente, es muy posible que existan otros condicionantes ajenos al debate tecnológico. Por ejemplo: el tipo de trabajo que realiza habitualmente la empresa le puede condicionar decisivamente. La alta velocidad podría ser una buena tecnología para cierto tipo de estampas de forja pero, si es un moldista de formas complejas podría no resultarle adecuado. También es de gran importancia el tipo de máquinas de que disponga la empresa y su cartera de pedidos: no parece adecuad una máquina de alta velocidad para tenerla parada durante mucho rato.

Centros de coste de las máquinas de alta velocidad

  • Coste (y vida) de las herramientas
  • Relación entre el diámetro de las herramientas y la velocidad de giro del cabezal. Es un tema importante para saber hasta donde podemos llegar en los moldes o matrices o estampas de forja que tengamos que hacer
  • Coste (y vida) de los cabezales
  • Coste de la máquina

Centros de coste de las máquinas de electroerosión

  • Material de los electrodos
  • Coste de fabricación de los electrodos
  • Coste total de maquina (más reducido)
  • Tiempos de mecanización largos
  • Posible acabado manual

Y las condiciones económicas, como siempre, son en sí mismas un fuerte condicionante: muy pocas empresas pueden permitirse una inversión entre 60 y 100 MPtas. También la dimensión y la seguridad de la cartera de pedidos: con una máquina ocupada 24 horas al día podría ser rentable, en caso contrario un buen estudio de amortización podría hacer aflorar dudas razonables.

Hablan los moldistas

El contrapunto a las intervenciones anteriores corrió a cargo de Juan Carlos Martín (Ascamm). La elección era correcta, pues las especiales características de los fabricantes de moldes y matrices les otorgan especial relevancia en este debate.

Los fabricantes de este tipo de utillajes realizan piezas únicas o en series muy limitadas para que sus clientes puedan realizar producción en paralelo; cada vez se exige una mayor precisión y acabado superficial, pues las rebabas o brillos en las superficies plásticas suelen ser causados por defectos en el molde; incorporan mecanismos complejos (por ejemplo desenroscados de tuercas), que requieren movimientos de la máquina, pistones o correderas; y el mercado tiene tendencia a exigir una vida útil crecientemente mayor.

La inmensa mayoría de los cerca de 1200 moldistas que operan en España mecaniza acero en piezas de tamaño medio, y cuenta con un equipamiento de producción muy diversificado: fresado, electroerosión, rectificado para los mecanismos de accionamiento y en la última fase de acabado, torneado, con tendencia al desuso por disminuir la demanda de moldes redondos; pulido de ajuste; taladrado y refrigeración.

Martín retomó temporalmente el debate entre alta velocidad y electroerosión, indicando que, por lo general, los moldistas emplean fresado de alta velocidad en piezas grandes, y electroerosión en las pequeñas, en razón de la manejabilidad de la pieza pequeña en electroerosión y de la elevada velocidad relativa de las fresadoras en piezas pequeñas. Indicó una limitación no señalada de la alta velocidad: los elevados niveles de contaminación acústica.

Si bien la alta velocidad no es exclusiva del fresado, sino que existe considerable bibliografía en torneado, rectificado e incluso taladrado, es en fresado donde más se está aplicando al ser la tecnología más potente de la actualidad: de un diseño CAD de geometría compleja a la generación del programa y su transmisión al control numérico obtenemos la superficie deseada. Exigiremos a la alta velocidad que o bien permita aumentar la calidad en un tiempo de mecanizado igual o inferior, o bien reduzca el tiempo de fabricación e iguale o supere la calidad, todo ello con respecto a la tecnología clásica.

Cuellos de botella: comunicación con el DNC

Es preciso distinguir entre MAV de materiales blandos y MAV de materiales duros. Los moldistas emplean materiales blandos para electrodos, cobre, grafito y prototipos de moldes (aluminio o resinas plásticas), que tienen una potencia específica de corte baja. También para el acabado de grandes superficies, como por ejemplo un parachoques, cuyas formas no suelen ser demasiado complejas (a excepción del Ford Ka).

En esta circunstancia, se podría obtener de la máquina el mayor rendimiento posible. Sin embargo, según sea el sistema de cálculo podría deformarse la geometría, al no poder seguir las trayectorias al ritmo impuesto. Sin embargo, aparece aquí un cuello de botella: la comunicación entre el DNC y la máquina no es, por lo general, suficientemente rápida, por lo que queda afectada la dinámica del conjunto del sistema y el mecanizado puede realizarse a alta velocidad pero la máquina podría estar parada durante la mayor parte del tiempo.

Un atractivo fundamental de la alta velocidad es la posibilidad de mecanizar sobre materiales endurecidos, pero en este caso las limitaciones no proceden de la máquina sino del proceso. El hecho de aumentar la velocidad exigirá el sacrificio de algún otro parámetro que habrá que compensar de alguna forma. Según las investigaciones llevadas a cabo recientemente en Ascamm el parámetro más crítico es la pasada radial: la cantidad de diámetro que se fresa. Al reducir la pasada radial se puede aumentar la velocidad y el avance por diente.

Todo ello conduce a la posibilidad de plantearse realmente el paso a la alta velocidad por parte de los moldistas que realicen el tipo de aplicaciones mencionadas, siempre que se tengan presentes las consideraciones de entorno mencionadas. En poco tiempo, por otra parte, podrán también considerar esta tecnología para la fabricación de piezas pequeñas, cuyo tiempo de programación es ahora muy elevado.

Finalmente, el desbaste de materiales tanto duros como blandos. En el caso de materiales férricos, las máquinas disponen todavía de una confiabilidad insuficiente, por lo que en ocasiones es preciso repetir el proceso varias veces hasta que la pieza puede darse por buena.

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