La electroerosión y el mecanizado de alta velocidad en torno a una mesa

Joan Sánchez Sabé15/09/2001
El fabricante de moldes para la industria del plástico ha venido utilizando la electroerosión por penetración como tecnología primaria para la elaboración de los mismos. La electroerosión es la tecnología que posibilitó el mecanizado de materiales con independencia de su dureza. Es lo que los anglosajones denominan una enabling technology. Permitió hacer algo que hasta el momento era prácticamente imposible. El mecanizado de alta velocidad es el resultado de acelerar los centros de mecanizado. Un incremento cuantitativo importante (incrementar mucho la velocidad) tiene un efecto cualitativo: también permite el mecanizado de materiales duros.
En estos momentos existen algunos procesos dentro de la fabricación del molde que pueden ser abordados por dos tecnologías distintas. En algunos casos, las ventajas de una u otra son muy claras. En la mayoría, sin embargo, el solapamiento entre ambas plantea dudas sobre cuál es la más idónea. Se simultanean la competencia y la complementariedad.

La mesa redonda MetalUnivers sobre "Comparación entre las tecnologías de MAV y EE" permitió, de mano de expertos conocedores de ambas, y también de expertos en cómo usarlas en la fabricación de moldes, esclarecer un poco ese área difusa en que ambas posibilidades son viables.

Se celebró el pasado día 28 de Noviembre en el contexto de la 1ª Semana PlastUnivers, destinada al sector de los plásticos. Dos de los cuatro ponentes proceden de centros tecnológicos: Joseba Pérez, de la Fundación Tekniker y Joan Guasch de la Fundación Ascamm. Los otros dos proceden directamente de las tecnologías bajo discusión: Juan Martín, experto en MAV y representante en España de Makino, una firma de máquinas de alta velocidad (entre otras), y Xabier de Maidagan, de Ona Electroerosión, experto en esta tecnología.

La organización, representada por Ferran Puig, que actuó como moderador, hubiera deseado tener en la mesa a usuarios de ambas tecnologías. Sin embargo, la novedad de la incorporación de la tecnología MAV hace que su conocimiento no quiera ser compartido por la mayoría de los mismos. La transición hacia la misma no ha sido fácil, y ninguno parece estar dispuesto a hacer que sea fácil para su competencia.

Joan Guasch intentó representar la opinión del usuario en la medida en que no está directamente involucrado en la fabricación de maquinaria, sino en su utilización. Es usuario de la alta velocidad para la fabricación de los electrodos que servirán para erosionar moldes. Eventualmente, también usa el fresado a alta velocidad para desbastes y algún acabado. Su conclusión fue que la integración de un proceso y otro, y el correcto conocimiento de la tecnología que se utiliza es lo que lleva al éxito al taller.

Joseba Pérez reforzó el concepto de complementariedad e integración de ambas tecnologías. Nos ofreció una primera guía para decidir qué hay que hacer usando cada tecnología. Lo resumió magníficamente en una transparencia cuyo contenido reproducimos. El método de desbaste se decide en función de la dureza final del material. Para decidir como hacer el mecanizado final, deben tenerse en cuenta más parámetros [ver cuadro “Parámetros técnicos en la elección MAV - EE”]. 

Juan Martín confía más en la alta velocidad. Se atreve con materiales más duros, modificando algunos de los parámetros de mecanizado. La consideración pasa de ser técnica a económica: la geometría de la pieza indicará la conveniencia (económica) de usar la alta velocidad. Las herramientas planas y toroidales permiten radios mínimos menores que 0,2; a pesar de su dificultad de uso. 

En muchas ocasiones se asocia el concepto de mecanizado de alta velocidad con un cabezal que hace girar muy deprisa la herramienta. Juan Martín nos indicó lo erróneo de dicha visión. Lo importante es la velocidad lineal de corte de la herramienta (que si tiene un diámetro grande, puede girar más lenta). A partir de ahí, hará falta que la máquina, para mantener el adecuado avance por diente, también sea capaz de desarrollar unas velocidades de avance importantes. Esto supone que la máquina dispone de unos motores importantes, para conseguir las necesarias velocidades y aceleraciones, y debe tener una muy importante rigidez para soportarla. El control numérico que controle la máquina  deberá también soportar las exigencias de velocidad (en su caso, de recepción de datos, proceso y cálculo). Por lo tanto, dotar a una fresadora convencional de un nuevo cabezal, según Juan Martín, no va a permitir trabajar en alta velocidad.

El cambio entre velocidad convencional y alta velocidad exige un cambio cualitativo completo. Esto también se aplicará a las herramientas (más precisas, de nuevas geometrías, materiales y recubrimientos) y portaherramientas (cuyo equilibrado dinámico se convierte en crítico). Serán mucho más caros que los convencionales, pero es un gasto necesario que acaba suponiendo un ahorro.

Xabier de Maidagan coincidió en buena medida con el resto de los ponentes. Su visión se resume en: “Existe la guerra: de todas las tecnologías contra los costes”. Algunas comparaciones son odiosas, especialmente cuando se llevan a cabo con ejemplos altamente tendenciosos. Describió un ejemplo de lo que denominó “guerra sucia”, donde se comparaba el mecanizado de un molde por electroerosión con el mismo en alta velocidad. El molde se debería haber fabricado con una rectificadora. Mostró también su contraejemplo: una pieza con cantos vivos y ranuras muy profundas que es prácticamente imposible mecanizar con ninguna tecnología que no sea la erosión.

Enfatizó la necesidad de ser claro con los clientes: darles todos los datos disponibles sobre las tecnologías disponibles, ayudarles a hacer las evaluaciones para sus casos concretos, y darles el mejor servicio posible. El convencimiento con que se expresó sobre el tema demuestra que su visión no es a corto plazo y oportunista. Sabe que al cliente no se le debe confundir.

Después de que cada ponente hiciera su presentación empezó una discusión en la que se puso de manifiesto que la mayoría de las opiniones eran coincidentes (“porque la verdad es la que es” - en palabras de Xabier de Maidagan). Probablemente por ello, y por la extensión de las presentaciones iniciales, la discusión fue breve, lo que Ferran Puig denominó “balsa de aceite”. Ambas tecnologías van a usarse de forma complementaria, aunque parece ser que se prevé que el campo de actuación del MAV va a crecer a expensas de una mayor especialización de la electroerosión. Quien piense en incorporar el MAV a su producción tiene que hacer un análisis técnico, organizativo y económico completo antes de decidirse. No hacerlo es arriesgarse a tirar el dinero. Ignorar la tecnología por miedo o desconocimiento es arriesgarse a perder el tren.

En consecuencia, descubra a qué se arriesga, y arriésguese con conocimiento.


Parámetros técnicos en la elección MAV – EE

Los ponentes de la mesa estuvieron esencialmente de acuerdo en decidir cuáles eran los parámetros a tener en cuenta para analizar la conveniencia o posibilidad de utilizar la electroerosión o la alta velocidad:
  • Dureza final de la pieza a mecanizar  (normalmente expresada en escala Rockwell C, HRC).
  • Esbeltez de la herramienta (una medida de la relación entre su longitud y su diámetro). La esbeltez se define por el parámetro L3/D4. Sin embargo, comúnmente se usa la relación L/D.
  • Rugosidad necesaria en la pieza final. Normalmente, se habla de rugosidad media (Ra) o rugosidad máxima (Rmáx).
La figura 1 resume las opiniones de Joseba Pérez respecto a los parámetros a considerar y los valores límite elegidos:

 

Fig. 1.- Fuente: Joseba Pérez – Tekniker – reelaboración propia

Las opiniones son bastante coincidentes en cuanto a los parámetros a utilizar, pero difieren a la hora de establecer valores para las fronteras a utilizar. En la medida en que el mecanizado de alta velocidad está avanzando, la frontera tiende a moverse en el sentido de ampliar el campo de la alta velocidad. La tecnología de electroerosión, más madura, tiene, al menos en apariencia, menos capacidad de “contraataque”. 

Según Juan Martín, la rugosidad superficial se mejora mucho con la alta velocidad, en contra de la opinión de Joseba Pérez. Valores de Ra de 0,1 micras son posibles con la alta velocidad. También es posible hacerlo en electroerosión, pero es altamente difícil. El parámetro que, a juicio de Juan Martín, realmente determina el límite de utilización de la alta velocidad es la relación entre longitud y diámetro de la herramienta. El límite absoluto probablemente es L/D=10. El límite en cuanto a la dureza lo sitúa un poco más arriba: en 58 HRC.   Durante la mesa, propuso algunas consideraciones en relación con la profundidad de corte. En principio, nos propone calcular la profundidad de corte en función de tres parámetros:

  • El radio de la herramienta R.
  • Un parámetro k1 que se calcula en función de la relación L/D. Para valores de L/D menores de 5, este parámetro vale 1. Para valores mayores de L/D el parámetro decrece, hasta llegar a un valor que es el límite práctico cuando L/D llega a 10.
  • Un parámetro k2 que se calcula en función de la dureza del material HRC. Para durezas inferiores a 55 HRC, este parámetro tiene valor 1. Para durezas mayores, el mismo decrece, y el límite práctico se encuentra entre 58 y 62 HRC.
  La fórmula de cálculo propuesta es:

   

La conclusión a la que cabe llegar es que los límites técnicos para cortar por AV están más lejos de lo que normalmente se indica. Sin embargo, cuando uno se acerca a dichos límites, el tiempo de mecanizado aumenta considerablemente. A partir de aquí, es necesario evaluar si el ahorro de tiempo que implica eliminar un revenido intermedio, u otras operaciones, queda compensado o no (figura 2).

Fig. 2.- Relaciones funcionales para determinar la  profundidad de corte. Fuente: Juan Martín - Elaboración propia

Xabier de Maidagan hizo un especial hincapié en la necesidad de no intentar jamás comparar los casos extremos e intentar deducir a partir de ellos reglas generales. Es imprescindible utilizar casos reales, en que ambas tecnologías tienen posibilidad de utilizarse, para hacer comparaciones reales.

En cuanto a los parámetros enunciados anteriormente, se basó en la denominada “curva Toyota” que se adjunta en la figura 3.

Fig. 3.- Fuente: Xabier de Maidagan – Ona Electroerosión

 


Capa blanca

Uno de los temas puramente tecnológicos que se discutió durante la mesa redonda fue el de la denominada capa blanca.

Se denomina así por su aspecto. Aparece al mecanizar los moldes y suele provocar problemas para el acabado del molde, y especialmente para los recubrimientos del mismo. Ascamm realizó un estudio sobre acero 1.2344 templado para comprobar si el mecanizado de alta velocidad provoca o no alteraciones químicas y estructurales en la superficie mecanizada.

La conclusión fue manifestada de forma tajante por Joan Guasch: no las hay. Si aparece capa blanca es a causa de la acritud provocada durante el mecanizado, y la misma puede reducirse mucho utilizando suficiente conocimiento sobre el mecanizado de alta velocidad: mecanizando cuando es conveniente a una velocidad menor. Un posterior revenido distensional y otros tratamientos consiguen que desaparezca completamente (o que sus posibles inconvenientes dejen de manifestarse).

Joseba Pérez también consideró la capa blanca, que se forma tanto en EE como en mecanizado convencional. En alta velocidad la misma es muy pequeña, pero puede ser importante si la herramienta que se usa está desgastada. La alta velocidad genera tensiones residuales inducidas, que son beneficiosas porque son compresivas.

Xabier de Maidagan mencionó algunos estudios comparativos realizados por la Escuela de Ingenieros de Bilbao. El MAV genera capas blancas, muy delgadas pero las genera. La electroerosión genera capa blanca del orden de 2 micras. En muchos casos se elimina al hacer un pulido espejo final. Parece ser que, con frecuencia, se habla de un problema realmente inexistente.


CAD/CAM:

Una máquina de alta velocidad está controlada por un sistema completamente automático, que ejecuta un programa a velocidades espeluznantes. El programa se genera a partir de los planos (en formato CAD) proporcionados por el cliente, por medio de un sistema que se denomina CAM (Manufactura Asistida por Ordenador). Todos los ponentes coincidieron en la absoluta importancia del CAM, en sus vertientes positivas y negativas.

Con frecuencia, como indicó Juan Martín, se llega a la alta velocidad por evolución del mecanizado convencional. Se piensa que los sistemas de CAM existentes serán suficientes para el nuevo sistema. Nada más lejos de la realidad: si en mecanizado convencional un operador de CAM puede hacer funcionar 3 centros de mecanizado, cuando se utiliza mecanizado de alta velocidad la relación se invierte: son necesarios 3 centros CAM para hacer funcionar al 100% un centro de alta velocidad. Un programa que se tarda entre 2 y 3 horas en realizar, se puede ejecutar en 20 minutos.

Nuevamente, un cambio cuantitativo tan importante implica una reorganización radical del tipo de trabajo en el taller. Serán necesarios muchos más centros CAM, y menos operarios de máquina. Cuando una empresa adquiere una máquina de alta velocidad y pretende utilizarla al 100%, necesitará dar nueva formación a una buena parte de su plantilla, e incluso incorporar a especialistas en CAM donde hasta ahora tenía operarios de máquina. Al precio de adquisición de la máquina de alta velocidad deberá sumarle el coste de las estaciones de CAM y del software que las mismas ejecutan.

Xabier de Maidagan mencionó el caso de una pieza sofisticada que requería de un tiempo de mecanizado de una hora. Sin embargo, la estación CAM necesitaba 6 horas de cálculo para determinar todas las trayectorias que la máquina debía seguir posteriormente; además del tiempo requerido por el programador. Probablemente se trata de un caso extremo, pero no hace sino reforzar el hecho de que no tiene sentido pensar en alta velocidad si no se piensa simultáneamente en adecuar los sistemas informáticos, el software y los conocimientos de quienes deban utilizarlos.

Fig. 4.- Fuente: Joseba Pérez – Tekniker – Reelaboración propia

Formación. Ingeniería Concurrente. Reingeniería

El esquema organizativo de una empresa dedicada a la fabricación de moldes cambia radicalmente cuando la misma decide utilizar de forma efectiva el mecanizado de alta velocidad. Los cambios básicos aparecerán ligados a las siguientes necesidades:

  • Disminución radical del número de operadores de máquina y aumento (igualmente radical) del número de operadores de CAD/CAM. Ello implicará unas necesidades de formación muy importantes, además de los equipos y el software necesario.
  • Necesidad de una mayor comunicación e implicación con el cliente. Es necesario, con frecuencia, diseñar el molde teniendo en cuenta no sólo la pieza que se quiere moldear con el mismo, sino también teniendo en cuenta como se fabricará el propio molde.

Será necesario pues sentarse a la mesa y discutir con el cliente aquellas características que son necesarias y aquellas que son alterables sin alterar la función del molde. Durante la mesa se mencionó en más de una ocasión el hecho de que una arista puede diseñarse “viva”, bajo la asunción que es más fácil de mecanizarla.

Esto puede ser así si se mecaniza con electroerosión. Sin embargo, es un inconveniente si pretende fabricarla con mecanizado de alta velocidad. Si se conocen con precisión las necesidades del cliente, podrá sugerirle que cambie algunos parámetros de su diseño para facilitar la fabricación. La ingeniería concurrente (que contempla no sólo el diseño, sino también la fabricación, mantenimiento, etc.) se vuelve relevante.

  • Un cambio sustancial en la organización requiere pensarlo todo de nuevo bajo un enfoque distinto. Se dice entonces que se está produciendo “reingeniería”.
Tanto Juan Martín como Xabier de Maidagan describieron, sin nombrarlas, ejemplos de empresas que habían llegado a una “reingeniería” completa. Fue significativo que el ejemplo más relevante fuera de una empresa portuguesa. Suponemos que la elección fue sencillamente porque no había ningún ejemplo igualmente relevante que fuera más cercano. Ello debería servir de advertencia a los moldistas que pueden estar perdiendo el tren tecnológico.

 

Fig. 5.- Fuente: Xabier de Maidagan – Ona Electroerosión – Reelaboración propia

Consideraciones económicas

A la hora de decidir, la tecnología no es sino un medio. El fin de toda empresa es la de satisfacer las necesidades de sus clientes y ganar obtener beneficios al hacerlo. En consecuencia, la decisión respecto a la tecnología acaba siendo económica. Las consideraciones técnicas respecto a la viabilidad son limitaciones a la decisión (“no elija esta opción porque es técnicamente inviable”).   Al hacer un análisis económico de la conveniencia deberá tener en cuenta:
  • Qué tipos de pieza mecaniza o recupera
    • ;En qué cantidades
    • Con qué frecuencia
    • Qué riesgo existe que su product mix cambie de forma sustancial en un futuro
  • Cuáles son los conocimientos de su organización
    • Cuántos operarios conocen tecnología MAV
    • Cuántos operarios deberá formar en uso de CAD/CAM
  • Cuál es su parque actual de máquinas
  • Cuáles van a ser los costes de operación. Tenga en cuenta:
    • Coste de las máquinas y accesorios (p. e.: portaherramientas)
    • Coste y vida de las herramientas
  • Cuál es su disponibilidad financiera
    • Qué riesgo está dispuesto a asumir (por acción o por omisión)
Teniendo en cuenta todos estos parámetros, un estudio económico le indicará cual es la opción más rentable para su empresa. El proceso de decisión puede requerir de pruebas (reales) utilizando diferentes combinaciones tecnológicas. En este punto, la asesoría de un centro tecnológico durante el estudio previo puede ser vital, tal cómo recalcaron los representantes de los mismos durante la mesa. 

Fig. 6.- Fuente: Xabier de Maidagan – Ona Electroerosión


La velocidad de la electroerosión también aumenta

El mecanizado de alta velocidad ha llegado a nosotros acelerando las fresadoras y centros de mecanizado convencionales. Como resultado, se han tenido que hacer estructuras más rígidas, controles más rápidos, motores lineales, y todo un conjunto de elementos mecánicos diseñados con “alta velocidad” en mente.

Cuando se analiza cómo emplea su tiempo una máquina de electroerosión, se descubre que una buena parte del mismo (del orden del 50%) está dedicado a desalojar el material erosionado o a mover el cabezal de un sitio a otro. Los elementos que permiten a una máquina moverse a alta velocidad pueden permitir a una máquina de electroerosión reducir el tiempo que dedica a todo lo que no sea erosionar. Por este motivo empiezan a aparecer máquinas con concepciones distintas a las tradicionales, tomando prestados algunos de los conceptos usados en MAV.

También resulta que los moldistas pueden necesitar usar la electroerosión por hilo, además de la de penetración, para poder sacar el máximo partido a la alta velocidad. Por ejemplo, este sería el caso cuando se realizan moldes (en alta velocidad) que tienen pivotes u otros elementos que “estorban” al mecanizado, y que podrían ser mecanizados a parte, e insertados en un agujero perforado por electroerosión de hilo, tal como comentó Juan Martín. 

Es posible que, en poco tiempo, veamos como la electroerosión decide “dar guerra” al mecanizado de alta velocidad usando algunas de sus armas. La electroerosión es una tecnología madura y se esperan pocas revoluciones. Sin embargo, la tecnología de una fresadora también es madura, y la revolución llegó.

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