Tekniker lleva a la práctica la comparación entre el mecanizado de tres y cinco ejes
Un paso más hacia el mecanizado de cinco ejes
Patxi López, Goretti Alberdi, Oscar Gonzalo, Víctor Viniegra, Juan Etxeberria01/07/2003 La consolidación del mecanizado a alta velocidad en tres ejes y la aparición de máquinas cada vez con mayor número de ejes introducen una necesidad de profundizar en los mecanismos de arranque de material. La migración a la tecnología del mecanizado en 5 ejes como paso siguiente al ya realizado con la alta velocidad no es fácil. Es necesario establecer una serie de pautas para conocer la mejor disposición de la herramienta sobre la geometría a mecanizar en aras de obtener una mayor duración de la herramienta, un mejor comportamiento de la misma durante el mecanizado junto a menores esfuerzos de corte y, por consiguiente, una mejor calidad final de la pieza.
En el presente trabajo de investigación se han tratado de conocer los mecanismos que se dan en el mecanizado de 5 ejes para lo cual se han establecido dos metodologías de trabajo distintas.
En primer lugar se han realizado una serie de ensayos sistemáticos de mecanizado con el objeto de conocer los niveles de esfuerzos y la calidad superficial de la superficie mecanizada variando los parámetros más controlables, como son:
- El ángulo de inclinación (g) entre la herramienta y la superficie de la pieza.
- La estrategia de mecanizar: concordancia o en oposición.
- La posición de la herramienta respecto de la dirección del avance paralelo o perpendicular.
En segundo lugar se ha estudiado la influencia del voladizo de la herramienta sobre la calidad de la superficie mecanizada, para lo que se ha seleccionado una geometría representativa del sector de la forja y se ha mecanizado en 3 ejes frente a 5 ejes sobre dos configuraciones de máquinas diferentes:
- Mecanizado en Alta Velocidad Kondia HS1000 de 3 ejes (gran voladizo de la herramienta).
- Mecanizado en 5 ejes (pequeño voladizo de la herramienta) sobre una Ibarmia ZV25U.
Ensayos sistemáticos. Plan de Experiencias de mecanizado
Las pruebas se han realizado en una máquina desarrollada por Tekniker, Seyanka ( Figura 1).
Figura 1. Máquina Seyanka (5 ejes)
Modificando el ángulo de inclinación (g) de la herramienta con 5 valores diferentes (10º, 20º, 30º, 40º, 50º) para cada estrategia de mecanizado definida en la figura 2.
Figura 2.- Estrategias de mecanizado
El gran voladizo y el aumento de las vibraciones generado durante el mecanizado de 3 ejes ha provocado la rotura de 7 herramientas, mientras que en el mecanizado de 5 ejes tan solo ha sido necesario utilizar una herramienta
La pieza a mecanizar es un acero 42CrMoV12. con una dureza de 50 HRc. La herramienta de corte es una CEPB 2100-2 f10mm de la marca Hitachi. (ref.: 9257 A) para medir los esfuerzos de corte y un rugosímetro Mitutoyo Surfest 211 para medir la rugosidad de la superficie mecanizada.
Los parámetros de corte utilizados para la consecución de los resultados han sido:
- Revoluciones: 12.000 rpm.
- Avance por diente: 0.13mm/z (3.145mm/min.)
- Pasada Lateral: 0.3mm.
- Pasada axial: 1.5mm.
Se trata de definir una estrategia que presente los menores esfuerzos de corte así como de mejor acabado superficial, en la figura 2 se presentan las diferentes estrategias de mecanizado utilizadas en el plan de experiencias.
Las figura 2 muestra las posiciones en las que se halla la herramienta:
- La herramienta puede mecanizar en perpendicular (E,F,G,H) o en paralelo a la dirección de avance (A,B,C,D) de la herramienta y con diferentes inclinaciones sobre la normal de la superficie.
- La herramienta puede mecanizar en concordancia (A,C,E,G) o en oposición (B,D,F,H).
Esfuerzos de Corte
El valor utilizado para el análisis de los esfuerzos de corte es el valor eficaz RMS de la señal. Considerando los tres esfuerzos de corte en las direcciones X, Y Z, se han analizado los esfuerzos de corte en función de la Resultante (R):
R2= Fx2 + Fy2 +Fz2
Figura 3. Esfuerzos de corte
Resultados obtenidos
Los datos representados corresponden a la media de las tres repeticiones realizadas y en ellos se aprecia que en general los esfuerzos de corte disminuyen a medida que aumenta el ángulo de inclinación (g).También puede observase que los esfuerzos son más bajos cuando la herramienta va en sentido paralelo a la dirección del avance (estrategias A, B, C, D).
Las estrategias más apropiadas para el mecanizado de 5 ejes con menores esfuerzos son aquellas que mecanizan con la inclinación de la herramienta en la dirección del avance, e inclinación de 40 grados
Tomando estas estrategias con los niveles de esfuerzos más bajos (g= 40º), se aprecia que esos niveles de esfuerzos son todavía más bajos cuando nos hallamos mecanizando en concordancia (A y C).
Entre la estrategia A y C no se aprecian diferencias, o sea, entre mecanizar tirando y empujando, lo cual nos indica que en todo momento se podrá modificar el ataque de la herramienta sobre la geometría a mecanizar sin perjuicio de sobre-esfuerzos sobre la herramientas de corte.
Figura 4. Influencia del ángulo de inclinación sobre los esfuerzos de corte
Acabado superficial
Analizando los resultados sobre las estrategias de corte donde menos esfuerzos han resultado se aprecian que son las estrategias A y C las que presentan mejor acabado superficial, es decir , en concordancia y en sentido del avance.
Figura 5. Influencia del ángulo de Inclinación sobre el acabado superficial
Conclusiones
Las estrategias más apropiadas para el mecanizado de 5 ejes con menores esfuerzos son aquellas que mecanizan con la inclinación de la herramienta en la dirección del avance, e inclinación de 40 grados.
Por otra parte, no se aprecian diferencias entre mecanizar tirando y empujando lo cual nos indica que en todo momento se podrá modificar el ataque de la herramienta sobre la pieza sin perjuicio de sobreesfuerzos sobre la herramientas de corte.
Se deberá perseguir que el mecanizado se realice en concordancia, beneficiosa para el mecanizado a alta velocidad. (viruta de más a menos)
Respecto al parámetro de rugosidad superficial, se ha podido constatar que el mejor ángulo de inclinación de la herramienta sea 40º (mayor velocidad de corte)
Influencia del voladizo de la herramienta (3ejes vs. 5ejes)
Para esta ocasión se ha optado por realizar la experimentación sobre una pieza-tipo representativa del sector de la forja.
Dimensiones: 405 X 370 X 259 mm. Dureza: 50 - 52 HRc
Figura 6. Detalle de pieza a mecanizar.
Se ha analizado la rugosidad (parámetro Ra) de la pieza mecanizada en 10 zonas diferentes, prácticamente en todas ellas los mejores acabados se han registrado en la pieza mecanizada en 5 ejes, justificando de esta manera el mecanizado en 5 ejes.
En la figura 7 se representan de forma gráfica los valores obtenidos.
Figura 7. Rugosidad en la pieza.
Puede apreciarse el gran número (5) de puntos rojos (valores de Ra superiores a 1.21µm) en la pieza de 3 ejes frente a los dos de la pieza de 5 ejes.
El aspecto que presenta la pieza mecanizada en 5 ejes parece más fruto de un rectificado que de un fresado, lo que representa una ausencia de vibraciones. Sin embargo, en la pieza de 3 ejes aparecen fuertes vibraciones sobre todo donde los mecanizados se han realizado con un gran voladizo.
En realidad, al inclinar la herramienta (en 5 ejes), con respecto al vertical (en 3 ejes), observamos que el voladizo es mucho menor. Pero también que el diámetro efectivo es mayor, con lo cual la velocidad de corte aumenta en proporción al diámetro de contacto. (Figura 8)
Figura 8. Mecanizado 3 ejes vs 5 ejes.
Del hecho de haber reducido el voladizo ha resultado un mecanizado más estable lo cual ha permitido aumentar los parámetros de corte reduciendo el tiempo de mecanizado sin detrimento de la rugosidad superficial.
En la siguiente tabla puede apreciarse la gran reducción de tiempo de corte obtenida mecanizando en 5 ejes frente a 3 ejes.
Conclusiones
El mecanizado de la geometría en 5 ejes ha supuesto una reducción del tiempo de mecanizado de un 35 por ciento frente al mecanizado en 3 ejes. El gran voladizo y el aumento de las vibraciones generado durante el mecanizado de 3 ejes ha provocado la rotura de 7 herramientas, mientras que en el mecanizado de 5 ejes tan solo ha sido necesario utilizar 1 herramienta.
La reducción del tiempo de mecanizado (5 ejes) está causada por el aumento en los valores de Ae y Ap. Gracias al mínimo voladizo necesario se reducen las vibraciones durante el mecanizado.
Como ya se ha comentado al empezar el escrito, el mecanizado de 5 ejes está suponiendo nuevos conceptos y nuevas ‘formas’ de mecanizar. Con la redacción del presente artículo se ha pretendido aportar una mayor comprensión hacia este tipo de mecanizado, o lo que es lo mismo, dar un paso más hacia el mecanizado de cinco ejes.
