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Expertos de Tekniker-IK4 analizan las nuevas tecnologías aplicadas a los procesos de mecanizado

Nuevas tendencias para el mecanizado

Oscar Gonzalo, Iban Quintana, Igor Maiztegi, Carmen Sanz. Fundación Tekniker - IK4 15/09/2010

15 de septiembre de 2010

Los procesos de mecanizado tienen una gran importancia en la actividad productiva, tanto de forma directa para la fabricación de componentes como de forma indirecta para la fabricación de elementos auxiliares, como por ejemplo los útiles y utillajes para la fabricación de componentes por otros procesos de inyección o conformado. La tecnología relacionada con el mecanizado ha evolucionado mucho en los últimos años con mejoras que afectan a múltiples campos como las herramientas de corte, la tecnología del mecanizado, los medios de producción, el CAD/CAM o la sensórica. Sin embargo, aún existe margen de mejora en los procesos de mecanizado a través del aprovechamiento de las nuevas tecnologías y la optimización en base a un mayor conocimiento del proceso.

Debido a la flexibilidad de los procesos de mecanizado para dar forma a los componentes mecánicos, su importancia industrial es muy elevada tanto desde un punto de vista económico como técnico. Actualmente es de suma importancia aumentar el rendimiento en los procesos de fabricación para mantener la competitividad de las empresas y su posición de mercado. La necesidad de esta mejora es consecuencia de dos factores: por un lado, el económico asociado a la reducción de costes por la entrada de competidores ubicados en países donde los costes salariales son más bajos; y por otro lado, el tecnológico con los retos para la fabricación de productos con mayor valor añadido que incrementan la complejidad de los procesos de mecanizado (nuevos materiales, geometrías complejas, requisitos de calidad y precisión…). En definitiva, la supervivencia se reduce a la mejora de los procesos para fabricar más rápido, mejor y más barato para cumplir con las exigencias de costes, plazo y calidad que exigen los clientes.

Esta mejora continua necesaria para competir con países de bajos costes salariales (China, Brasil…) o grandes potencias económicas (EE UU, Japón, Alemania…) requiere de la asignación de recursos a investigación, desarrollo e innovación, de forma que se puedan aprovechar las posibilidades tecnológicas existentes en cada momento dentro de la actividad productiva de las empresas.

En línea con lo comentado anteriormente, en Tekniker se realizan actividades de I+D+i dirigidas a mejorar las capacidad de la industria manufacturera. Estas actividades están orientadas en dos campos de actuación: la introducción de procesos de fabricación no convencionales y la optimización de procesos de mecanizado convencional mediante el uso de nuevas tecnologías.

Los ámbitos de trabajo más destacados en el campo de los procesos no convencionales son los siguientes:

  • Micromecanizado láser + Mecanizado a alta velocidad
  • Mecanizado rotatorio por ultrasonidos
  • Mecanizado electroquímico

Mientras en lo referente a los procesos convencionales de mecanizado por arranque de viruta los esfuerzos van dirigidos a:

  • Desarrollo y optimización de procesos de mecanizado en duro
  • Aplicaciones de la simulación a procesos de mecanizado
  • Desarrollo de procesos de mecanizado asistido

1. Procesos no convencionales

El empleo de materiales duros y difíciles de mecanizar (superaleaciones, materiales compuestos y cerámicas), debido a sus excepcionales propiedades tecnológicas, se encuentra muy extendido dentro de diversos sectores como el moldista, el aeronáutico o el médico. Debido a sus buenas propiedades y comportamiento en las aplicaciones más exigentes, su transformación y procesado presentan problemas que limitan la precisión y elevan los costes de producción. Por esta razón, en los últimos años, el mecanizado de este tipo de materiales de una manera eficiente se enmarca dentro de los objetivos planteados por las empresas en el campo de la innovación tecnológica., sin olvidar la obtención de procesos más ecológicos para cumplir las normativas medioambientales cada vez más estrictas.

A continuación se presentan 3 procesos de mecanizado alternativo: el micromecanizado láser (+Mecanizado a alta velocidad) donde lo que se busca es obtener una elevada precisión en el mecanizado de geometrías complejas con alta calidad superficial; el mecanizado rotatorio por ultrasonidos adecuado para el mecanizado de geometrías complejas en materiales duros y frágiles; y el mecanizado electroquímico que ofrece rapidez de proceso para geometrías complejas en materiales conductores.

  1.1 Micromecanizado Láser

En el caso del micromecanizado de precisión la mejora de la eficiencia se orienta hacia la consecución de un coste competitivo dentro de los sectores objetivo.

El micromecanizado láser compite con tecnologías como el mecanizado de alta velocidad (MAV) o la electroerosión por penetración (EDM), siendo su principal ventaja frente a éstos que al ser una radiación electromagnética la que incide en el material, no existe contacto físico alguno entre la herramienta de trabajo y el material, siendo los esfuerzos generados sobre el sistema (de naturaleza térmica) mucho menores al corte por herramienta. En cuanto a precisión en el mecanizado, dependiendo de las características del sistema láser, se puede disponer de un diámetro de haz en el punto focal de dimensiones ≤ 50 µm, logrando precisiones inalcanzables mediante MAV. Como consecuencia de estas dimensiones, se concentra una gran densidad de energía en una zona muy localizada, lo que se traduce en una mayor capacidad de procesado de materiales duros y difíciles de mecanizar mediante tecnologías convencionales. Por otra parte, el mecanizado por láser no requiere del procesado de electrodos y se considera como una tecnología ‘limpia’ desde el punto de vista medioambiental, al no entrar en juego ningún tipo de fluido que deba tratarse posteriormente (ya sea fluido de corte en el caso de MAV o líquido dieléctrico en el caso de EDM). Fuentes láser pulsadas con duración de pulso corta y ultracorta (microsegundo: µs y picosegundo: ps) son las empleadas frecuentemente en el micromecanizado de precisión de materiales cristalinos y amorfos.

El mecanizado láser se fundamenta en la eliminación de material en el intervalo de tiempo que dura el pulso, y dependiendo de la duración de éste, los procesos físicos que se generan en el material son de distinta naturaleza. Para el caso particular de considerar tiempos de pulso mayores que 1 nanosegundo, los procesos térmicos son los que dominan la interacción radiación–materia, invirtiéndose la energía en el paso de los átomos desde el estado sólido al gaseoso, pasando por el estado fundido. Este proceso térmico genera una dinámica del material fundido que, debido a la tensión superficial de la superficie, provoca la acumulación de material en torno a la cavidad generada por el láser (‘recast layer’) y la existencia de una zona afectada térmicamente (‘Heat Affected Zone’ (HAZ)), microgrietas y ondas de choque. Mientras, el mecanizado láser con pulsos ultracortos se caracteriza por una elevada calidad superficial, efecto asociado al aumento de energía por pulso y número de fotones por unidad de tiempo provocando la ablación fría del material, que reduce los inconvenientes que existen con pulsos más cortos.

Como se ha citado anteriormente, la tecnología de micromecanizado láser aporta ventajas significativas al sector moldista, debido a la rapidez en el mecanizado y el grado de precisión alcanzado. La figura 1 muestra algunos ejemplos de las capacidades de la tecnología láser en la fabricación de moldes.

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Figura 1: Micromecanizado híbrido MAV – Láser en la obtención de moldes de inyección.

En el ámbito aeronáutico y automoción, la tecnología de micro-taladrado y texturizado por láser ha demostrado sus buenas capacidades en la obtención de superficies y componentes funcionales. El micromecanizado láser de agujeros de taladrado (dimensiones de entrada del agujero inferiores al espesor del material a tratar) se emplea en la mejora de las propiedades de refrigeración de cámaras de combustión, aerodinámica de estructuras de avión y obtención de difusores que favorezcan el ahorro y optimización de combustible. La técnica de texturizado láser, por su parte, muestra sus ventajas frente a métodos químicos en la obtención de superficies funcionales que prevengan el desgaste de componentes sometidos a fricción continua. Dentro de este campo, la tecnología se orienta hacia la obtención de geometrías precisas que reduzcan la superficie de contacto en servicio, actúen como pequeños depósitos de lubricante o retengan partículas desgastadas (en sistemas sin lubricación). La tecnología se aplica a componentes metálicos y juntas de sellado, mostrando su versatilidad en distintos sectores industriales. Las figuras 2 y 3 muestran algunos de los tratamientos de taladrado y texturizado láser realizados en Tekniker en aceros, vidrios metálicos y cauchos, revelando el grado de precisión alcanzado mediante esta tecnología.

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Figura 2: Microtaladrado en chapa de 1 mm de acero inoxidable (a) y lámina de vidrio metálico (aleación de Níquel) de 50 µm de espesor (b).
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Figura 3: Texturizado láser en juntas de caucho empleadas en componentes de amortiguación.

Complementariamente a los ámbitos de aplicación citados anteriormente, el micromecanizado láser con pulsos ultracortos se vislumbra como una tecnología completamente revolucionaria en el procesado de materiales biocompatibles para el sector biomédico. En este ámbito, cabe destacar el micromecanizado y funcionalización mediante texturización láser de termoplásticos y polímeros biodegradables, materiales constituyentes de dispositivos implantables. Las aplicaciones son diversas, desde la fabricación rápida y precisa de dispositivos de microfluídica y microcorte de componentes biomédicos hasta la generación de superficies funcionales que favorezcan ciertas funciones biológicas (osteointegración en implantes dentales, diferenciación celular en el ámbito de la medicina regenerativa, etc.). La figura 4 muestra algunos ejemplos del empleo de la tecnología láser disponible en Tekniker en la obtención de dispositivos microfluídicos y componentes médicos.

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Figura 4: (a) Componente microfluídico para el sector biomédico. Micromecanizado láser de canales de anchura 130 µm y profundidad 50 µm en PC. Microsoldadura obtenida mediante tecnología láser disponible en Tekniker. (b) Microcorte y microtaladrado láser de componentes biomédicos.
    1.2. Mecanizado rotatorio por ultrasonidos

El reciente crecimiento del uso de materiales de alta dureza, gran resistencia mecánica y resistencia a la abrasión a altas temperatura, ha introducido la necesidad del procesado de los mismos. De este modo, el mecanizado de materiales duros y frágiles se ha convertido en un problema tecnológico y económico, y aún hoy en día se presenta como un reto importante. Las propiedades avanzadas de materiales como las cerámicas técnicas, vidrios, carburos sinterizados, piedra, etc. dificultan en gran medida su transformación.

El mecanizado de este tipo de componentes se realiza habitualmente empleando procesos de rectificado o electroerosión, y en promedio suponen entre el 30-60% del coste total de producción. A pesar de la importancia de estos procesos, debido a sus capacidades, existen limitaciones técnicas a la hora de conseguir geometrías complicadas, tolerancias ajustadas y costes reducidos.

El mecanizado rotatorio por ultrasonidos (RUM, por Rotary Ultrasonic Machining) se enmarca dentro de los procesos no convencionales de mecanizado que permiten el mecanizado de materiales duros y frágiles de una manera eficiente con costes moderados.

El RUM es un proceso que consiste en la eliminación de material utilizando una herramienta de superabrasivo mediante la combinación de tres movimientos: rotación, vibración axial ultrasónica (frecuencia 20 kHz y amplitud de 5-50 micras) y avance contra la pieza. Por otro lado, el proceso utiliza taladrina bombeada a través de la herramienta para eliminar las virutas de la zona de corte, evitando el embotamiento y refrigerando el proceso.

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Figura 5: Imagen esquemática del proceso de RUM.

El mecanismo de arranque de material en el RUM es la combinación de los mecanismos presentes en el rectificado con diamante y en el mecanizado por ultrasonidos tradicional (USM), presentando mejoras frente a ambos procesos. La introducción de la vibración en combinación con el proceso de rectificado con diamante permite obtener mejores rendimientos como el aumento de la rapidez del proceso, la reducción del desgaste de las herramientas y de las fuerzas de corte, la mejora de la rugosidad superficial o la práctica eliminación de las zonas afectadas térmicamente.

Las ventajas del RUM frente al rectificado se incrementan cuando se trata de realizar geometrías de pequeñas dimensiones o con formas en 3D, puesto que en estos casos se aprovechan las ventajas del proceso obteniendo piezas con mejores tolerancias, mejores acabados y menores costes de herramientas.

Como se indicado previamente el campo de aplicación del RUM se centra principalmente en la fabricación de componentes en materiales duros y frágiles como las cerámicas técnicas, los vidrios, metales endurecidos, piedra, Silicio, piedras preciosas, etc. Las principales aplicaciones están relacionadas con condiciones de trabajo muy diversas:

  • Componentes sometidos a desgaste por fricción y alta temperatura
  • Componentes aislantes térmicos o eléctricos para trabajar en condiciones extremas
  • Componentes estructurales con muy alta estabilidad térmica
  • Componentes ópticos

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Figura 6: Anillo de ajuste de sistema de fluidos de Alúmina (Al2O3).
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Figura 7: Prótesis de cadera de material cerámico.
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Figura 8: Roscas de interiores y exteriores en Alúmina (Al2O3).
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Figura 9: Detalles decorativos en piedra natural (Cruz de Santiago en granito) y piedra sintética (jaboneras en Silestone).

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Figura 10: Componentes en vidrios especiales. Placa de aislamiento de Zerodur y pieza de muestra en Borosilicato.
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Figura 11: Útiles de conformado hechos de carburo de tungsteno sinterizado (WC).

   1.3. Mecanizado electroquímico

La tecnología de mecanizado electroquímico (ECM) se encuentra dentro del grupo de procesos de mecanizado no tradicionales o no convencionales. El ECM utiliza la acción química para el arranque del material, y el proceso consiste en colocar la pieza a mecanizar sumergida en una cuba con líquido electrolítico (eléctricamente conductor) enfrentada con el electrodo (útil o herramienta) que tendrá la ‘forma negativa’ de la que se desea obtener en la pieza, estando ambos conectados a un generador de corriente continua, cerrando el circuito eléctrico a través del fluido electrolítico.

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Figura 12: Imagen esquemática del proceso de ECM.

Al establecerse la circulación de la corriente eléctrica, la pieza comenzará a disolverse de una manera selectiva, mediante electrólisis (disolución electroquímica controlada), empezando por las zonas de mayor densidad de corriente, que serán aquellas en las que la distancia interelectródica sea menor. Este paso de corriente se estabilizará uniformemente a medida que la pieza mecanizada va ‘acoplándose’ al electrodo.

La utilización de este proceso permite la obtención de formas complejas sin distorsión, grietas, rebabas, capa blanca, zona afectada térmicamente, ni tensiones residuales. Esta técnica puede ofrecer además una larga vida del electrodo o herramienta ya que el desgaste es inexistente, junto con altas tasas de arranque de material y buena calidad superficial. Sin embargo, la principal desventaja del ECM, al igual que el EDM, frente a la tecnología láser es la necesidad de que los materiales del electrodo y de la pieza sean conductores eléctricos.

Aunque en la actualidad, el ECM no es considerado como un proceso de precisión, mediante el uso de una potencia pulsada de duración relativamente corta (1-10ms) y distancias estrechas entre el electrodo y la pieza (GAP) de 10 a 50 µm, es posible alcanzar precisiones del orden de 5µm y acabados superficiales de hasta 0,03 µm de Ra. Esta nueva variante de ECM se denomina Mecanizado electroquímico pulsado o PECM. Esta forma de aplicación de energía en el proceso facilita el uso de una vibración mecánica en la herramienta que servirá para mejorar la limpieza de los sedimentos que se formen durante el mecanizado en el GAP de trabajo.

Las ventajas mencionadas del proceso de PECM, proporcionan una alternativa eficiente para la fabricación de un gran variedad de componentes como pueden ser alabes de turbina, implantes quirúrgicos, moldes, matrices e incluso microcomponentes.

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Figura 13: Álabes de turbina. Fuente: www.pemtec.de.
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Figura 14: Matrices de Extrusión. Fuente: www.pemtec.de.
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Figura 15: Coronas dentadas [Fuente: www.pemtec.de].
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Figura 16: Ejemplos de piezas mecanizadas por ECM. Fuente: AEG-Elotherm-Germany.
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Figura 17: Copiado de la silueta de Mozart en relieve.

2. Procesos de mecanizado por arranque de viruta

Los procesos de mecanizado son muy conocidos y existen multitud de empresas dedicadas a la fabricación de componentes por este tipo de procesos. Este hecho hace que sea un proceso fácilmente asimilable por empresas de países menos industrializados y con costes más bajos. En esta situación, la fabricación por arranque de viruta se centra en la obtención de productos de mayor valor añadido y calidad, con costes y tiempos reducidos en materiales cada vez más exigentes que permitan competir contra la oferta de costes reducidos de otros países. Para lograr este objetivo se trabaja en la innovación en diversos aspectos de los procesos de mecanizado y en el desarrollo de nuevos sistemas de mecanizado que permitan aumentar las capacidades de los procesos convencionales, en definitiva se busca mejorar el rendimiento de los procesos.

  2.1 Procesos de mecanizado en duro

El uso de materiales de alta dureza está indicado para componentes de alto rendimiento funcionando bajo altas cargas, en los que el proceso de acabado influye de manera muy importante en el comportamiento funcional; por este motivo, el acabado debe proporcionar componentes de alta calidad, tanto desde el punto de vista de las propiedades termomecánicas del material como del acabado e integridad superficial conseguida. Los procesos de acabado deben asegurar que el material mantiene sus propiedades mecánicas para soportar las cargas en uso, y al mismo tiempo no afectar a la integridad que pueda llevar a la aparición de problemas de fatiga o corrosión.

El creciente uso de materiales de altas prestaciones, como los aceros endurecidos y los carburos cementados (metal duro), ha planteado la necesidad de encontrar nuevos procesos de fabricación, que mejoren los utilizados habitualmente.

El principal problema en la fabricación de componentes de materiales de cierta dureza se centra en los procesos de acabado que se realizan habitualmente mediante operaciones lentas y costosas como mediante procesos de rectificado y electroerosión. Como alternativa a éstos, en los últimos años se ha trabajado en el desarrollo de los procesos de fresado y torneado en duro que permiten transformar materiales de alta dureza (por encima de 55 HRC) obteniendo los acabados superficiales y tolerancias requeridos, con reducciones de tiempos en relación 1 a 3, y costes de maquinaría 3 veces más bajos frente a los procesos de rectificado y electroerosión. Los centros de mecanizado permiten dotar al proceso de mayor flexibilidad en relación con la capacidad de desarrollar múltiples operaciones, sin las restricciones que imponen otro tipo de máquinas como las de rectificado o de electroerosión. Además, la posibilidad de utilizar estrategias de mecanizado en seco permite reducir el uso de lubricantes consiguiendo una mejora medioambiental del proceso.

Los problemas que se presentan en el mecanizado de materiales de alta dureza y elevadas propiedades mecánicas, se centran en el material de la herramienta, el acabado superficial requerido y la productividad. Los últimos logros en el desarrollo de materiales de corte permiten disponer de herramientas suficientemente rígidas para el corte del material endurecido, y a la vez suficientemente tenaces para soportar las altas cargas mecánicas del proceso. Por otro lado, teniendo en cuenta la naturaleza del tipo de materiales a transformar, estas herramientas deben ofrecer la suficiente capacidad para soportar el desgaste y las elevadas temperaturas que se originan en este proceso. Los últimos desarrollos en herramientas, como el PCD y el PCBN, permiten obtener este tipo de características.

En el caso concreto del torneado en duro los problemas suelen estar relacionados con la obtención de la calidad y la integridad superficial requeridas que están asociados principalmente con el desgaste de la herramienta, las vibraciones y la rigidez de la máquina. Para el correcto desarrollo de un proceso de torneado en duro es necesaria la utilización de una máquina adecuada, principalmente de alta rigidez y potencia, pero normalmente se utilizan las máquinas disponibles por lo que la mejora del rendimiento del proceso pasa por seleccionar adecuadamente otros aspectos como las herramientas y las condiciones de corte.

En Tekniker el trabajo realizado en los últimos años ha ido dirigido a la correcta selección y la optimización de las herramientas de PCBN y las condiciones de mecanizado, puesto que una buena elección de ambas permite controlar el proceso de formación de la viruta, reducir la tendencia a las vibraciones y las deformaciones, controlar el acabado superficial y aumentar la vida de las herramientas. Son varios los aspectos a considerar: portaherramientas, herramientas, condiciones de corte y lubricación; citados en la secuencia apropiada para la correcta definición del proceso global.

Como ya se ha indicado anteriormente, además de la mejora del rendimiento del proceso, la integridad superficial y la microestructura del material son aspectos de gran importancia. Estos aspectos están relacionados con las altas temperaturas y cargas mecánicas que se dan en la zona de corte. En el caso de los aceros, el torneado en duro afecta a la microestructura superficial por la generación de tensiones residuales y zonas endurecidas en la superficie, también conocidas como capas blancas. Normalmente, estas capas vienen seguidas por una zona reblandecida a mayor profundidad. En ocasiones, dependiendo de las cargas de trabajo de la pieza, las capas endurecidas de la superficie pueden ser el origen de grietas que limiten la vida a fatiga del componente.

En Tekniker se trabaja en la definición de los procesos de mecanizado en duro abordando la selección de portaherramientas, herramientas y condiciones de mecanizado para el aumento del rendimiento del proceso asegurando la integridad superficial del componente.

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Figura 18: Capa blanca en el mecanizado en duro.
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Figura 19: Desgaste típico de las herramientas en el torneado en duro de aceros.

  2.2 Simulación de procesos de mecanizado

Desde un punto de vista industrial o de aplicación el objetivo de mejora todo proceso de fabricación mecánica va encaminada a tres aspectos, por un lado a la mejora de aspectos tecnológicos (Precisión, calidad…), por otro a la mejora de los aspectos económicos de los procesos (tiempos, costes…), y en un tercer lugar se sitúan los aspectos medioambientales y las condiciones de trabajo. Los procesos de mecanizado son una actividad productiva y se rige fundamentalmente por criterios económicos y de competitividad, así que la optimización de los procesos está principalmente dirigida a la mejora de los aspectos tecnológicos y los aspectos económicos.

La optimización de los procesos de mecanizado en general se convierte en un problema complicado por la existencia de una gran cantidad de aspectos a considerar y la existencia de fenómenos físicos de diferente naturaleza (materiales, mecánica, tribología, química...) con interacciones entre ellos. Estas dificultades se ven incrementadas por el desconocimiento de los mecanismos básicos que rigen el proceso, y por las condiciones extremas en las que se desarrolla el proceso que no se producen en ningún otro proceso de fabricación (altas temperaturas y gradientes térmicos, grandes deformaciones plásticas a altas velocidades de deformación, escalas temporales y dimensionales variadas en el proceso…) y algunas de estas no son reproducibles por los métodos de ensayos actuales.

En estas condiciones, lo normal es realizar la optimización del proceso mediante ensayos de prueba-error buscando nuevas condiciones basadas en parte en la experiencia previa y en la capacidad y tiempo disponible para realizar ensayos. Antes estos problemas, en todos los campos de la tecnología están emergiendo las técnicas de modelizado y simulación que se presentan como herramientas clave en el soporte de la fabricación en el siglo XXI. Ninguna otra tecnología ofrece un potencial mayor para la mejora de productos, el perfeccionamiento de los procesos, la reducción del tiempo de salida a mercado y el abaratamiento de los costes de fabricación.

El modelizado y la simulación mediante el desarrollo de modelos predictivos se presenta como una alternativa a los ensayos experimentales en forma de herramientas de decisión industrial. Los objetivos que se buscan en los procesos de mecanizado son la mejora de las herramientas de corte, las estructuras de las máquinas, los accionamientos y la ingeniería de los procesos de fabricación. La mayor parte de los modelos desarrollados se centran en el estudio de alguno o varios de los aspectos implicados en el proceso de corte, por la complejidad del estudio global del mismo. En este aspecto Tekniker trabaja con dos tipos de modelos que permiten obtener información de diferente naturaleza: Los modelos numéricos basados en elementos finitos y los modelos semiempíricos o mecanísticos.

Los modelos numéricos basados en el método de los elementos finitos están enfocados al estudio de la zona cercana al filo de corte donde se produce el contacto entre la pieza, la viruta y la herramienta. Este tipo de modelos permiten la obtención de la distribución de tensiones, deformaciones y temperaturas en la zona de corte, las fuerzas de corte, la forma de la viruta o las tensiones residuales. En Tekniker se emplean para las siguientes actividades:

  • Optimización de las condiciones de corte
  • Diseño de la geometría de la herramienta
  • Identificación de las causas del desgaste de las herramientas
  • Diseño de rompevirutas

Los modelos mecanísticos o semiempíricos permiten principalmente el cálculo de las fuerzas de corte en operaciones con herramientas de geometría compleja. Este tipo de modelos están basados en la suposición de que las fuerzas de corte son proporcionales al espesor de viruta sin cortar, que básicamente es una relación de las condiciones de corte, la geometría del proceso y otras variables del mismo. Estas relaciones se obtienen de forma empírica y por lo tanto, cada operación se estudia por separado siendo necesaria la experimentación para la obtención de los coeficientes específicos de corte que relacionan las diferentes magnitudes y parámetros medidos. La predicción fiable del valor de las componentes de fuerzas en operaciones de mecanizado es fundamental para determinar los requisitos de potencia, los errores geométricos en los componentes mecanizados, las características de las vibraciones, los requisitos de resistencia de las herramientas de corte, el diseño de utillajes o el dimensionamiento de las propias máquinas de mecanizado, bien de manera directa o indirecta de manera que son un paso intermedio necesario para el cálculo de muchos aspectos en los procesos de mecanizado. En Tekniker se emplean para las siguientes actividades:

  • Optimización de las condiciones de corte
  • Definición de la geometría óptima de las herramientas
  • Identificación de problemas de deformaciones debidos a fuerzas cuasiestáticas
  • Identificación de problemas debidos a causas dinámicas (Vibraciones forzadas y chatter)
  • Optimización de trayectorias de mecanizado

La figura 20 muestra un ejemplo de rediseño de la geometría del filo de corte (chaflán) en una herramienta de PCBN para el mecanizado de un acero de 53 HRC. La herramienta optimizada permitía mejorar la integridad superficial en la pieza mediante la reducción de la temperatura de corte, incrementar la vida de la herramienta en un 10 % y cambiar el mecanismo de desgaste de la herramienta, pasando de un fallo por rotura del filo a un fallo por desgaste de flanco cuya monitorización y control de fallo es más sencilla en entornos industriales.

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Figura 20: Optimización de herramientas de corte para torneado en duro mediante modelos numéricos.

La figura 21 muestra la utilización de los modelos numéricos para el diseño de un rompevirutas para el torneado de aluminio con placas de PCD (diamante policristalino), el mecanizado del rompevirutas se ha realizado en Tekniker utilizando la técnica del micromecanizado láser. El objetivo en este caso es la fragmentación de la viruta para su correcta evacuación de la zona de corte.

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Figura 21: Desarrollo de rompevirutas para el mecanizado de aleaciones de aluminio mediante modelos numéricos.

La figura 22 muestra un caso de fresado de paredes delgadas en el que únicamente existían 2 velocidades de corte entre 12.000 y 18.000 rpm que producían un mecanizado estable en toda la pared. La utilización de los modelos mecanísticos permite la identificación delas condiciones de corte estables que aseguran un buen acabado superficial en la operación.

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Figura 22: Identificación de problemas de vibraciones en procesos de fresado y optimización de las condiciones del proceso mediante modelos mecanísticos. Caso estable a 15.330 rpm, y caso inestable a 17.660 rpm.

La figura 230 muestra el esquema utilizado para la integración de los modelos mecanísticos en un software CAD/CAM que permite asistir las actividades de programación mediante el análisis de piezas complejas para la identificación de problemas de vibraciones y la mejora del proceso de mecanizado, mediante la optimización de las condiciones de corte y de las trayectorias de mecanizado.

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Figura 23: Optimización de las trayectorias de mecanizado mediante la integración de los modelos mecanísticos en herramientas de CAD/CAM.

2.3 Procesos de mecanizado asistido: ultrasonidos, láser…

La utilización de fuentes de energía externas como asistencia a los procesos de mecanizado se presenta como una posibilidad de mejorar los procesos de mecanizado. En este aspecto en Tekniker se está trabajando en el desarrollo de procesos de mecanizado asistidos por ultrasonidos en operaciones de torneado y taladrado. La aplicación de los ultrasonidos consiste en la introducción de una vibración de entre 5-30 micras a 20 KHz superpuesta a la acción de corte propia del proceso.

El trabajo incluye el desarrollo de los sistemas necesarios para la realización de las operaciones de mecanizado y la evaluación de las capacidades de los procesos asistidos.

En lo referente al torneado asistido los objetivos buscados son la fragmentación de la viruta para evitar la acumulación en la zona de trabajo y la reducción de fuerzas de corte. Mientras que en el caso del taladrado se busca fragmentar la viruta para facilitar la evacuación a través del agujero, reducir las fuerzas de corte y mejorar la precisión del agujero.

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Figura 24: Fragmentación de viruta en el torneado asistido por ultrasonidos de acero.
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Figura 25: Fragmentación de viruta en el taladrado asistido por ultrasonidos de aluminio.

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