mecanizado alta velocidad

7/26/2019 Mecanizado Alta Velocidad

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MECANIZADO DE ALTAVELOCIDAD


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Introduccin al Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIN

Iniciado el siglo XXI es prcticamente inimaginable la revolucin experimentada por la tecnologa defabricacin en los ltimos 10 - 15 aos. La evolucin de los ordenadores, de las nuevas tecnologas decomunicacin, etc., estn revolucionando el mundo en general y en particular el mundo empresarial. En elcampo que nos concierne, mecanizado-fresado, el cambio o la revolucinya ha llegado y, aunque todavaqueda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a Alta Velocidad (MAV) es ya una realidadque muchas empresas y mucha gente todava desconocen.

El MAV hoy en da es una tecnologa de corte con bases slidas que abre las puertas del mecanizado demateriales y figuras que antes no se podan mecanizar mediante el mecanizado convencional, como porejemplo: materiales con una dureza superior a 50 Hrc o paredes delgadas de 0.2 mm., etc.

2. PERO, QU ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD?

Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? Es mecanizar a altas velocidades de husillo (n)? Es mecanizara altos avances (Vf)?

Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es que no significa obligatoriamentemecanizar a altas revoluciones de husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades dehusillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran dimetro (25 - 30 mm.). Las condiciones delproceso (velocidad de corte, avance, profundidades de corte radial y axial, etc.). dependern del material amecanizar, as como de las mquinas y herramientas disponibles.

Cada material y aleacin que pretendamos mecanizar posee sus propias caractersticas de maquinabilidad,lo que nos marcar los lmites operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:

etc.).Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados, titanio, nquel,

Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,) que de poca maquinabilidad(titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).

As, el triangulo material-herramienta-mquina limitar los parmetros de corte, estrategias de mecanizado,volumen de material extrado por unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de procesoen general dependern del material a mecanizar. La siguiente grfica muestra los rangos de velocidades decorte en funcin del material mecanizado.


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El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone un cambio de mentalidad ynecesidades: es una tecnologa que no tiene nada que ver con el mecanizado convencional.

El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja velocidad de corte por muchas pasadasrpidas de menor profundidad de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada (volumende material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de corte y los elevados avances disminuyen lasfuerzas de corte gracias a espesores de viruta cada vez ms pequeos.

4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV

Disminucin de las fuerzas de corte en los materiales dctiles, posibilidad de mecanizarparedes delgadas (0,2 mm.)Mayor precisin de los contornos , mejor calidad superficial y tolerancias dimensionales ms precisasReduccin del tiempo de pulidoMecanizado de una sola atada para el desbaste y acabadoMecanizado de paredes finasReduccin del tiempo de mecanizado y coste globalDisminucin del coeficiente de rozamiento viruta-herramientaEvacuacin casi total del calor por medio de la virutaAumentoen la vida de la herramientaPosibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera mecanizado en caliente

5. CONCLUSIN

Hoy por hoy el MAV no representa una solucin general de mecanizado, pero supone una oportunidad deoptimizacin en determinados campos de aplicacin.

Herramientas para mecanizado a alta velocidad

1. INTRODUCCIN:

En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV no existira si no se dispusiera deherramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadastemperaturas de oxidacin. El desgaste y los altos costes de las herramientas suponen actualmente unalimitacin en el mecanizado. Una limitacin que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las causasms comunes por las que se desgastan las herramientas:

- Desgaste por abrasin: desgaste producido por el contacto entre materiales ms duros que la herramienta

y la propia herramienta rayndola y desgastndola.

- Desgaste por adhesin: cuando en la zona de corte debido a las altas temperaturas, el material de corte yla herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.


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- Desgaste por difusin: desgaste producido por el aumento de la temperatura de la herramienta, con loque se produce una difusin entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficiede la herramienta.

- Fallas mecnicas: fallas producidas por estrategias, condiciones de corte, herramientas, etc. inadecuadas.

El material de la herramienta debe cumplir con habilidades especficas tales como:

- Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformacin pero tenaz para resistir los cortesintermitentes e inclusiones.

- Ser qumicamente inerte en relacin al material de la pieza de trabajo y estable para resistir la oxidacin,para evitar que se genere el filo recrecido y desgaste prematuro.

Estas propiedades permitirn mecanizar con altas velocidades de corte, aumentar la vida de las herramientas,permitir obtener la mejor calidad superficial y dimensional posible en la pieza a mecanizar.

Pero, cmo sabremos qu herramientas utilizar, qu papel juega cada una de sus propiedades? Cmoseleccionaremos la herramienta adecuada para cada material? Y, para cada aplicacin en concreto, culesson los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta como en la calidad superficial de la pieza: losrecubrimientos, su geometra, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado, longitudde la herramienta, etc.?

Para conocer un poco ms a fondo estas caractersticas realizaremos un estudio de las herramientas.

2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:

Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres campos clave en una herramienta:(material de la herramienta), geometra y recubrimiento.

2.1. Sustrato

Aceros: para trabajos en fro o en caliente - No se utilizan en el MAV

Acero rpido: una aleacin de metales que contiene alrededor de un 20% de partculas duras. Apenas seutilizan en el MAV.

Carburo cementado o metal duro: hecho con partculas de carburo unidas por un aglomerante a travs deun proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Losms comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburode niobio (NbC). El aglomerante tpico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de aluminioy silicio.

Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es recubierta con carburo de titanio (TiC),nitruro de titanio (TiN), xido de aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y aluminio(TiAlN). La adhesin del recubrimiento ser mediante CDV (deposicin qumica por vapor), PVD (deposicinfsica por vapor) y MTCVD (deposicin qumica por vapor a temperatura media). Buen equilibrio entre latenacidad y la resistencia al desgaste.

Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburocementado, en este caso las partculas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. Elaglomerante es nquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formacin de crteres, alta estabilidad qumicay dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidacin y a la formacin del filo recrecido. Son de gran dureza yresistencia a la abrasin en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellos materialesque producen una viruta dctil, aceros y las fundiciones dctiles. Los modernos aleados TaNbCy MoCaadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cclico propio de la operacin de fresado.

Cermicos: Existen dos tipos bsicos de cermica: Las basadas en xido de aluminio (Al2O3) y las de nitrurode silicio (Si3N4). Son duras con alta dureza en caliente, y no reaccionan qumicamente con los materiales


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de la pieza. Sin embargo son muy frgiles. - Ideales para el mecanizado de piezas en duro y comoreemplazo de las operaciones de rectificado.

Nitruro de Boro Cbico (CBN): Es uno de los materiales ms duros. Ocupa el segundo lugar despus deldiamante. Dureza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidadqumica durante el mecanizado. Es frgil, pero ms tenaz que las cermicas.

Diamante policristalino (PCD): Es casi tan duro como el diamante natural. Este diamante sinttico tiene unaincreble resistencia al desgaste y una baja conductividad trmica. Sin embargo, son muy frgiles. La vida dela herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas decorte no deben exceder 600 C, no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, yno sirve para cortar para materiales tenaces.

2.2. Geometra

Espiga (cuello) cnica: Con el fin de mejorar la rigidez.

Alma de gran dimetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las vibraciones y el riesgo de melladode los filos. Menor flexin y una mejor tolerancia de la pieza mecanizada.

Cuello de la herramienta rebajado: Mayor alcance en cajeras profundas. Evita el contacto y los roces.Reduce las vibraciones.

Mango cilndrico largo: Para una mejor sujecin y equilibrio.

ngulo de desprendimiento negativo (-15): Mayor estabilidad y resistencia del filo. Menor tiempo decontacto con la viruta. El calor se transmite a la viruta. Mnima tolerancia de radio. Mejor acabado superficial.Menor necesidad de pulido. Producto final ms prximo a la forma definitiva.

2.3 Canales de evacuacin de viruta segn el tipo de material a mecanizar

Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando la adherencia de material al filo.Herramientas de pocos labios (2) con ngulos de hlice de 25 a 30 y paso largo para facilitar la evacuacinde grandes caudales de viruta.

Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez. Mucha hlice para disminuir laresistencia al corte y mejorar el acabado. Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta -menor absorcin de calor, viruta corta.

Herramientas enterizas y de insertos:

Enterizas: Mayor precisin, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza. Disposicin de herramientas decualquier dimetro. Elevado coste. Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad deuna estrecha relacin proveedor-usuario.

De insertos: Menos rgida: Menor precisin superficial y dimensional. Dimetros cercanos a los 8 mm. Solometal duro para MAV. Normalmente para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad dereposicin.

2.4 Recubrimientos

Las caractersticas principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos:

Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.Facilitan la disipacin del calor acumulado en el filo de corte. Baja conductividad trmica que favorece la eliminacin del calor a travs de la viruta.Aumentan la resistencia a la abrasin, disminuyen la afinidad herramienta-pieza.El grosor del recubrimiento vara entre 0.0001y 0.0005.Los recubrimientos se aplican mediante deposicin qumica de vapor o deposicin fsica de vapor.


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2.4.1 Recubrimientos de TiAlN

Son los que ms se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrs los dems. Los recubrimientosTiAlN multicapa estn remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN.

TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio aluminioque destacan por su dureza, estabilidad trmica y resistencia a ataques qumicos. Protegen las aristas de

corte por abrasin y adhesin as como por carga trmica.

Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza 3.000 (Hv0.05) y la buena estabilidad trmica, 800C, y qumica de la capa TiAlN. As protege las herramientasde corte de acero rpido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por tensiones severas.Debido a su estabilidad trmica, permite trabajar en mecanizados a altas velocidades e incluso enseco o con mnima cantidad de lubricante.Monocapa: desarrollado para su aplicacin en fresas de metal duro utilizadas en condiciones demecanizado severas. Su elevada dureza, 3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad trmica, 800C, yqumica hacen que sea ptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materialestrmicamente tratados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.

2.4.2 Recubrimiento de diamante

Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizadode estos materiales las herramientas se desgastan rpidamente y la calidad de las superficies mecanizadasy la precisin dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuyadureza es superior a los 8.000Vickers, adems de obtener una vida til ms larga y poder aumentar lasvelocidades de corte, disminuyendo as de manera importante el tiempo de mecanizado, se consigue unbuen acabado de la superficie y una buena precisin dimensional.

2.4.3 Recubrimiento WC/C

Realizado por deposicin fsica al vapor a temperaturas alrededor de los 200 C. Al realizarse el proceso derecubrimiento en alto vaco, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas

a presin atmosfrica (proyeccin trmica), o en gases y baos (nitruracin, galvanizado). Losrecubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la ltima operacin dentrode los componentes de precisin. Este recubrimiento presenta una combinacin nica de caractersticas: Bajocoeficiente de friccin, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.

2.4.4 Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C

Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formacin yevacuacin de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad trmica del recubrimiento TiAlNcon las buenas propiedades de deslizamiento y lubricacin del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo entaladrados y roscados.

Recubrimiento TiN TiCN WC/CTiAlN(monocapa)+WC/C

TiAlN(multicapa)

TiAlN(monocapa)

Microdureza 2300 3000 1000 2.600-1.000 3000 3500

Coeficiente de rozamientocontra el acero

0,4 0,4 0,2 0.2 0,4 0,4

Temperatura mxima detrabajo

600 400 300 1000 800 800

Color oro-amarillo

azul-gris

gris oscuro violeta-gris prpura-gris

Espesor del recubrimiento 1-4 1-4 1-4 2-6(1/3 wc/c; 2/3TiAlN)

1-5 1-3


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Portaherramientas para mquinas de alta velocidad

El objetivo de este captulo es presentar los distintos tipos de portaherramientas que existen actualmente enel mercado para el mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones existentes entreel desequilibrio y los diferentes tipos de portaherramientas.

1. INTRODUCCIN

El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de concentricidad de la herramienta de corte conel fin de evitar errores y aumentar la seguridad del proceso en el mecanizado a altas revoluciones de corte.Actualmente los conos portaherramientas ms utilizados son los especiales tipo HSK. Tambin se utilizan losconos SK 40 & 50 (DIN 69871) y BT 40 & 50.

Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los portaherramientas ms convencionales, seresumen en los siguientes puntos:

Proporcionan mayores exactitudes de cambio y repetitividad.Transmisin segura de un elevado par con un posicionamiento radial definido (ausencia de run-out).Gran rigidez a la flexin esttica y dinmica.Disminucin del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen los problemas de tipo inercial.

2. AJUSTES

El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser extremadamente preciso. Los diferentessistemas empleados para el ajuste de herramientas en los portas de alta velocidad son:

Mecnico: Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste de tuerca y pinza (porta-pinzas).En el caso de tuerca de gran apriete, la pinza es cilndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuercanormal, la pinza es cnica.

Hidrulico: No es una opcin muy recomendable, ya que al girar a altas revoluciones (a partir de 20000rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar el salto radial de la herramienta. Las ventajas que presenta esteportaherramientas es que no necesita ningn mecanismo secundario, sin embargo el coste individual delportaherramientas (sin contar el mecanismo de calentamiento de los trmicos) es ms elevado que lostrmicos.

Trmico: El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento, con lo que aumenta el dimetrointerior por dilatacin. Una vez dilatado se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso decontraccin queda sujeta la herramienta. Esta opcin es la mas recomendada, pero actualmente tambin esla mas compleja y cara, ya que obliga a disponer de un porta por dimetro de herramienta, y un dispositivotrmico auxiliar para la sujecin.

La eleccin del tipo de portaherramientas depender del centro de mecanizado y la precisin con la que se

piense trabajar.

En la tabla adjunta se muestra la precisin proporcionada por cada uno de los sistemas de amarrecomentados en prrafos anteriores:


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til Precisin (m/m)

Portapinzas convencional 0.015

Portapinzas tipo Weldon 0.020

Portapinzas hidrulico 0.003

Porta de deformacin mecnica 0.003

Porta de dilatacin trmica 0.003

A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente pequeos pueden producir fuerzaspeligrosamente altas en los rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminucin de la vida til delmismo.

3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO

Los efectos negativos del desequilibrio de la herramienta/portaherramientas pueden ser divididos en dos

categoras:

Efectos sobre la pieza mecanizada: rechinar de la superficie metlica causadas por el movimiento de laherramienta de corte. Otro efecto es la imposibilidad de conseguir tolerancias muy precisas.

Efectos sobre la mquina: Son ms destructivos que los efectos sobre la pieza mecanizada. Las fuerzascentrfugas causan grandes tensiones internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un falloprematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de produccin de una mquina de altavelocidad durante semanas con el fin de sustituir el husillo de precisin, operacin que no est exenta ademsde un alto coste econmico. Otro efecto del desequilibrio est relacionado con la reduccin de la vida de laherramienta de corte (50% menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).

Fig. 1. Fig. 2.- Comparacin entre vstagos HSK y CAT (SK)

En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su fabricacin a las revoluciones queexige el cliente (G6.3, G2.5). El portaherramientas que ofrece un mayor grado de equilibrado es el trmico;

sin embargo existen equipamientos externos que nos permitirn un equilibrado ms preciso. Para elmecanizado a alta velocidad, lo ideal sera reequilibrar el conjunto herramienta / portaherramientas / husilloen la propia mquina herramienta. No obstante, hoy en da, existen muy pocos sistemas para un equilibradocompleto, por lo que hay que hacerlo en una mquina de equilibrado externa.


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Refrigeracin en Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIN

En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energa mecnica se transforma en energa trmicaa travs del cizallamiento, corte y friccin entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta.Aunque gran parte de la energa es evacuada por las virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al puntode corte y a la cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulacin de energa provocafenmenos no deseados en el proceso de mecanizado:

a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.

b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisin geomtrica disminuye debido a laexpansin de la herramienta y de la pieza con el calor.

En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales: lubricacin, refrigeracin y retirada delmaterial excedente

Lubricacin: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta mediante ladisminucin de la friccin entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, as comoentre la cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actan directamente en el punto defriccin, creando una capa protectora en esa zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramientay la pieza.

Refrigeracin: Mitiga el desequilibrio trmico del sistema generado durante el proceso por el rozamientoentre pieza y herramienta, adems del calor generado por deformacin plstica en el proceso de formacinde la viruta.

Retirada del material excedente. La evacuacin y transporte de las virutas es una de las funciones msimportantes de los fluidos lubricantes. Si stas permanecen cerca de la zona de corte calientan la pieza einfluyen en la precisin final del componente mecanizado. Por otra parte, las virutas tienen un alto impacto en

la vida de la herramienta cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas en elpunto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de descascarillado en los filos de corte.

2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES

Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes ms efectivos en trminos de productividad delos procesos de mecanizado, aunque tambin tienen un factor indeseable.

En la ltima dcada los problemas asociados al impacto medioambiental de los procesos de fabricacin hansido objeto de amplios estudios y consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo sevuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan debido al calor generado en el procesode corte. Los lubricantes poseen gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfrico) que

tienen alta influencia no slo en la salud de los operarios sino tambin en el posterior tratamiento yalmacenaje de los residuos.

3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES

En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos aspectos que hacen a este procesoun tanto peculiar en referencia al uso comn de lubricantes y refrigerantes.

En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta es extremadamente corto debido ala alta velocidad de giro del cabezal, por lo que la transferencia de calor a la herramienta es tambinpequea y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de lubricacin. Esta presuncin essiempre dependiente del material que estemos mecanizando, ya que la transferencia de energa depende delcoeficiente de transmisin trmica de cada material, pero es aplicable a la mayora de aceros, en algunos

tipos de aleaciones ligeras (aluminio y magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleacionesde baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base nquel).


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El desarrollo de recubrimientos de ltima generacin, con una excelente resistencia a alta temperaturafavorecen la posibilidad de realizar el mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con unamnima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).

Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista econmico y medioambiental, la industriaest sugiriendo nuevos procesos y mtodos de lubricacin. El paso ms lgico para evitar estos problemases el mecanizado en seco. Algunas herramientas recubiertas de cermica, carburo de tungsteno con carbono(WC/C), nitruro de titanio-aluminio (TiAlN), bisulfuro de molibdeno (MoS2), diamante, etc., han demostradoun excelente comportamiento en el mecanizado en condiciones de ausencia de lubricacin. Estos materialesde recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen incrementos de vida de herramientade entre el 30 y el 70%. Sin embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben serconsideradas como particularmente crticas.

En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100% por cualquier razn tecnolgica, elmecanizado MQL proporciona una alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que lacantidad de lubricante utilizada es mnima, del orden de 0.01 - 0.5 ml/min, tanto la herramienta como la piezapermanecen secas, con lo que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, as comolos riesgos a la salud de los operarios.

Sistemas de lubricacin MQL externo e interno

En el mecanizado con lubricacin MQL la funcin de refrigeracin se consigue a travs de la gran cantidadde aire que se insufla en la zona de corte, y la funcin de lubricacin entre la herramienta y la pieza seconsigue por medio de una pequea cantidad de lubricante.

Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIN

Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad ha llegado a ser una tecnologaextendida en el sector industrial, las empresas que desarrollan software han pretendido no perderse elcarrode la innovacin, colocando el sello Software para el mecanizado de Alta Velocidaden sus productos.

Esta campaa de marketing ha supuesto el desconcierto entre los usuarios, primero por conocer si su paquetede CAD/CAM est o estar a la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en sus empresasun software de alto nivel y les es difcil despejar el camino.

A continuacin describimos las diferentes estrategias de corte que se emplean habitualmente en lasoperaciones de mecanizado a alta velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema deCAD/CAM que quiera competir en el rea del mecanizado de alta velocidad.


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2. OPERACIN DE DESBASTE

Raster: esta trayectoria se genera a partir de unngulo dado en XY, manteniendo un con pasolateral ae y un paso vertical ae. El softwaredebiera incluir por defecto diferentes opcionespara adaptarse al mecanizado de alta velocidad,

como son radios en los cambios de direccin,entradas en espiral, etc.

Trocoides o Epicicloides: pocos paquetesincorporan este tipo de estrategia avanzada. Lanovedad de esta forma de trabajo es que seconsigue evacuar grandes volmenes de material

con bajos niveles de consumo de potencia delcabeza, caso que es muy frecuente en los centrosde mecanizado de alta velocidad.

Perfilado u Offset: consiste en obtener trayectoriassiguiendo el contorno de la geometra. De lamisma manera que la trayectoria Raster, elsoftware debiera incluir por defecto diferentesopciones para adaptarse al mecanizado de altavelocidad como son radios en los cambios dedireccin, entradas en espiral, etc.

Entradas en Z: debe de incorporar diferentesformas de entrar la herramienta sobre la pieza:taladro, rampa o espiral, sta ltima es la msrecomendable para salvaguardar la integridad dela herramienta.

Arcos: el software debiera generarautomticamente radios o arcos para evitarparadas bruscas ante un cambio de trayectoria.

Cambios de Direccin: es necesario tener uncontrol total de la trayectoria programada, elsoftware nos debe permitir en todo momentocambiar la direccin de mecanizado.

Mecanizado de restos: El paquete de CAD/CAM debereconocer de forma automtica zonas que no hamecanizado una herramienta anterior.

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Edicin de las sendas de mecanizado: en muchosde los casos es necesario modificar la senda demecanizado obtenida de forma automtica parahacerla coincidir con zonas concretas de lageometra, el paquete de CAD/CAM debe permitireditar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...

Minimizar los movimientos de trabajo con eldimetro de la herramienta: el software nosdebiera proponer unas trayectorias de mecanizadoevitando que la herramienta mecanice con todo sudimetro.

3. OPERACIONES DE ACABADO

En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas trayectorias por lo que el software debeser muy flexible.

ZIG-ZAG o Raster

Estrategia que la mayora de paquetes de CAD/CAMincorpora, la senda de mecanizado se proyecta con unngulo programado

Planos en Z

La senda de mecanizado contornea la geometra conpasos verticales constantes.

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Espira l

Se proyecta la forma de una espiral sobre la pieza

Radial

El software proyecta radios sobre la geometra con unaseparacin que se introduce por el usuario

Offset

En esta estrategia se mantiene constante el pasolateral proyectado sobre la superficie para lo cual,realiza una reduccin del contorno sobre toda lasuperficie de la pieza.

Mecanizado por zonas

El software debe dar la posibilidad de dividir la piezapor zonas y as, mecanizar cada zona con la estrategiaque ms convenga.

Lm ites

El paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crearlmites sobre las superficies con objeto de crearestrategias por zonas.

Bitangencias

El software debe incorporar la posibilidad deseleccionar zonas de unin de superficies con radios

de curvatura pequeos

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4. SIMULACIN DEL MECANIZADO

El software debe incorporar la posibilidad de simular las estrategias de mecanizado. A pesar que existensoftware especficos para la simulacin de las trayectorias, somos de la opinin que esta opcin debe estarincorporada como una herramienta ms dentro del propio programa de CAD/CAM

Controles numricos para MAV

1. INTRODUCCIN

Las aplicaciones de alta velocidad en mquina herramienta exigen un nivel mnimo de prestaciones a losCNCs que gestionan el proceso de mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altasvelocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de precisin requerido.

El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el intrprete del programa, el cual descifra el programaescrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado en elinterpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es necesario realizar una serie detransformaciones como compensacin de la geometra de la herramienta, escalado, rotacin, cinemtica dela mquina, etc. Despus, el interpolador acta enviando a los servos las consignas adecuadas.

En aplicaciones de contorneado, la forma ms habitual de especificar las trayectorias que debe seguir laherramienta est basada en la generacin de una sucesin de puntos entre los cuales se realizaninterpolaciones lineales. Cuanta ms precisin se exige, mayor es el nmero de puntos, y el hecho de tenerque procesar toda esa cantidad de informacin con precisin y a gran velocidad impone la adopcin desoluciones especficas en los controles numricos para alta velocidad.

EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los diferentes errores que se producendentro de las tolerancias establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como cabeesperar, ms severas debido sobre todo a los altos valores de avance que se requieren. En los siguientespuntos se analizan las prestaciones que puede disponer un CNC para trabajar en alta velocidad.

Existen en el mercado numerosos fabricantes de CNCs especialmente diseados para el mecanizado de altavelocidad, entre ellos podemos citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num,

etc.


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CNCs Fidia p ara alta veloc idad

2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD

2.1 Tiempo de ciclo del servoaccionamiento

El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre entre cada medida de posicin yactualizacin de la consigna que el CNC enva a los diferentes servoacionamientos.

El valor de este tiempo marca la precisin en distancia que se puede obtener para un eje movindose con unavance determinado, o viceversa, para una precisin o distancia mnima entre medidas determinada marcala velocidad de avance mxima. Por ejemplo, para una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclodel servo de 1 ms, se tiene que por cada vez que el CNC mide la posicin del eje este se ha movido 0,2 mm.Este problema de resolucin obliga a que los CNCs dispongan de tiempos de ciclo del servo rpidos si sequiere trabajar con precisin con valores de avance rpidos.

El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en cuenta para mecanizar rpido conprecisin. Los CNCs para alta velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del orden deunos 100 s.

2.2 Tiempo de proceso de bloque

El tiempo de proceso de bloque es el mnimo tiempo que transcurre entre la ejecucin de dos bloques delprograma de CNC. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar undato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones...), yadems iniciar y terminar el movimiento en cuestin. En alta velocidad, y especialmente para aplicaciones decontorneado, es habitual exigir tiempos de proceso de bloque de 1 ms.

La velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisin determinada depende de lacapacidad de aceleracin de la mquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de lacapacidad de aceleracin de la mquina no reduce el tiempo de ejecucin del mecanizado.

Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales

El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, permite a ste disponer de ms informacinsobre el estado de los accionamientos as como influenciar el comportamiento de los lazos. Losaccionamientos digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:


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Alta resolucin digital en la monitorizacin de la velocidad y la trayectoria.

Algoritmos de control de alto nivel, pudindose destacar:

Feed-forward en los lazos de posicin y velocidad, tambin conocidos como feed-forward develocidad y aceleracin. Se trata de controles en avance que permiten una importantereduccin de los errores de seguimiento ante cambios de consigna.

Amortiguacin activa, consigue incrementar el valor de la amortiguacin del sistema

electromecnico para poder incrementar el valor de la ganancia Kv del lazo de posicin ytrabajar con un mayor grado de precisin.

Compensaciones de fricciones estticas y holguras

Amplio rango de opciones de anlisis, como por ejemplo osciloscopio o analizador de frecuenciasintegrados.

Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de seal (DSP), tales como la implementacin defiltros digitales.

2.3 Look-Ahead

Quizs una de las prestaciones ms importantes de la que es necesario que cualquier CNC disponga para

trabajar en alta velocidad sea la funcin look-ahead (mirar en adelanto). En la funcin Look-Ahead elprocesador del CNC evala por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en elprograma de pieza que se est ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo ala mquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la mquina mantener el avance a valores relativamentealtos evitando marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la mquina,por medio de ir ajustando la velocidad mirando el programa por adelantado.

Look ahead: Fuente Siemens

No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por adelantado. Esta cantidad esdinmica, cambia en funcin de los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisin, o lascaractersticas de la mquina. Como regla general, cuanto ms lenta sea una mquina (menor aceleracin),mayor nmero de bloques Look-Ahead sern necesarios. El trabajar con mayor nmero de bloques en Look-Ahead que el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde potencia de clculo en elCNC ya que esta realizando operaciones innecesarias. El nmero tpico en alta velocidad est por encima de100 bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000 bloques.

2.4 Control de aceleraciones

El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la mecnica de la mquina herramientay provoca vibraciones en los ejes. Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo quehace que el perfil de la aceleracin no sea una constante, sino que tenga forma trapezoidal, mejorandonotablemente el comportamiento de la mquina.


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Perfiles de aceleracin

Se logran todava mejores resultados suavizando la curva de la aceleracin, sustituyendo la curvatrapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una funcin sen2.

Con la implementacin de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen losesfuerzos a los que se ve sometida la mecnica de la mquina, y por otro, gracias a la reduccin de

vibraciones, se consiguen movimientos ms suaves que permiten elevar el valor de la velocidad y reducir elerror.

2.5 Capacidad de almacenamiento. Ethernet

Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de piezas en 3D,ocupan varios megas de memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.

Los actuales CNCs estn, cada vez ms, basados en arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duroscon capacidades de almacenamiento de gigas, por lo que el problema del espacio que exista antiguamenteya no es tal. Adems, la conexin a red de los CNCs proporciona todas las ventajas aadidas que suponeuna conexin de este tipo en cuanto a la transmisin y utilizacin de cualquier tipo de informacin.

2.6 Interpolacin polinmica. NURBS

Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemticos que definen exactamente una curva osuperfice a partir de varios puntos de control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unospesos asociados a los mismos. Los pesos actan esencialmente como la gravedad, produciendodeformaciones en la direccin de los puntos de control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayorser el nmero de puntos de control que deber especificarse, pero, en todo caso, el nmero de puntosgenerados ser menor que el necesario utilizando la aproximacin tradicional por tramos rectos. Lareduccin en el nmero de puntos manejado en las curvas habituales est en una proporcin de entre un 30y un 50%.

El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa evidentemente de la disponibilidadde un CNC con interpolador polinmico, capaz de procesar la informacin codificada en esta forma.


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Ejemplos de curvas NURBS

Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con NURBS para la definicin de curvas ysuperficies. La disponibilidad de un CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminacin de unpaso intermedio generador de error a la hora de aproximar una trayectoria curva a una de multitud de tramos

rectos, con el consiguiente incremento de la calidad superficial, disminucin de la talla del fichero de latrayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.

La reduccin del volumen de datos que se obtiene con la especificacin de las trayectorias mediante NURBStiene importancia en el caso de utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hasta fechasrecientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y con la posibilidad de aplicar la funcinlook-ahead, diluyen algunas de las ventajas del uso de los NURBS.

En definitiva, si bien los NURBS son una nueva tcnica que comienza a desarrollarse y que ha aportado ypuede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones delos CNCs de ltima generacin. Las limitaciones de la mquina en cuanto a velocidades de avance y/oaceleraciones no estn causadas por la capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta delsistema electromecnico.

3. CONTROLES ABIERTOS

Los fabricantes de CNC's actuales estn apostando cada vez ms por los denominados controles abiertos,los cuales bsicamente aprovechan la arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias,poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.

La utilizacin de la arquitectura PC y el software estndar en dichos sistemas abre enormemente lasposibilidades de los CNCs actuales. De esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrolladopara el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por tanto, la integracin conperifricos, adquisicin de datos, etc. se solucionan fcilmente con sistemas comerciales de tercerosfabricantes, diferentes de los fabricantes de CNCs.

4. CONCLUSIN

Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el mecanizado de alta velocidad,cabe destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rpidos de proceso de bloque y de ciclo deservo que, junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas aceleraciones yvelocidades de los ejes. Tambin hay que subrayar la necesidad de disponer de algoritmos de look-aheadpara obtener altas velocidades de ejecucin de los programas.


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Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad

1. INTRODUCCIN

La tcnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a procesos de mecanizado en loscuales la velocidad de corte se ha incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a granparte de las tecnologas implicadas en el proceso de corte.

Uno de los elementos clave es, evidentemente, la mquina herramienta, a la cual se le exige un mayor gradode rapidez y precisin, lo que hace que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren unaimportancia fundamental en el buen hacer de la misma.

Dependiendo de las aplicaciones, se exigen mquinas cuyas velocidades de avance superen los 100 m / min,y ms importante quizs que el valor del avance es el valor de la aceleracin, sobre todo cuando se mecanizanformas complejas, considerndose necesarios valores de al menos 1g o incluso mayores.

Hoy por hoy, la tecnologa de los accionamientos en mquina herramienta est dominada por losservomotores rotatorios usados en conjuncin con una serie de componentes mecnicos de transmisin comolos husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo dichos componentes los que limitan en la

actualidad los valores de velocidad y aceleracin alcanzables. Los motores lineales juntamente con potentesCNCs, aparecen como una gran fuente potencial de prestaciones para mquinas herramienta de altavelocidad.

2. QU ES UN MOTOR LINEAL?

La explicacin habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio desenrollado, esdecir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.

Hablando de un modo ms preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentranlos devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer,aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al

igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos sncronos y asncronos. Junto con lasguas lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrnico forman el conjunto activo deaccionamiento lineal.

Integracin de un motor lineal en un carro de mquina herramienta


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1. Qu ofrecen los motores lineales?

Por muy fino que se hile en el proceso de sintona de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez juntocon la existencia de posibles holguras en la transmisin mecnica restringe el uso de husillos a bolas hastauna longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleracin de hasta 1g en el mejor de loscasos. Las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisin mecnica, que debido asu elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando ladinmica y la ganancia del factor Kv. La transmisin de la fuerza se realiza ahora directamente por el campomagntico. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos tradicionales basados entransmisiones mecnicas:

Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.Mayores valores de aceleracin, lo que es muchas veces ms importante que el valor de la velocidadmxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores tpicos andan en torno a 1 2g, oincluso ms.Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan unaidea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es ms preciso cuando se desplaza aaltas velocidades, por lo que la calidad de la interpolacin as como la velocidad y precisin enaplicaciones de contorneado se incrementan notablementeReduccin de los niveles de vibracin Mayores cursos sin comprometer el grado de prestaciones

La tabla muestra una pequea comparacin entre las prestaciones tpicas que ofrecen los motores lineales ylos husillos a bolas

Husillo a bolas Motor lineal

Velocidad mxima 0,5 m/s 2 m/s (3 4 posible)

Aceleracin mxima 0,5 1 g 2 10 g

Rigidez dinmica 9 18 kgf/mm 621 kgf/mm

Tiempo posicionado 100 ms 10 20ms

Fuerza mxima 26.700 N 9.000 N/bobina

Fiabilidad 6.000 10.000 h 50.000 h

Fuente: High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief

Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de motores lineales presenta una seriede inconvenientes. Una de las pegas de motores lineales es la necesidad de disipacin del calor que segenera, por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeracin y/o aislamiento trmico de losaccionamientos para que puedan operar con precisin. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, lasdilataciones trmicas conducidas al resto de elementos de la mquina pueden comprometer su nivel deprecisin y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La noexistencia de elementos de transmisin mecnica que amortigen los cambios de carga repentinos, o

cualquier otro tipo de perturbacin mecnica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controladorelectrnico, por lo que ste tiene que ser extremadamente rpido parta mantener la estabilidad. Es habitualemplear tcnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecnicas cuando los motores seutilizan en condiciones dinmicas exigentes.


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Mdulo de mecanizado basado en motores lineales, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10m/s2

4. CONCLUSIONES

Los motores lineales eliminan los componentes mecnicos de las transmisiones utilizadas en losaccionamientos tradicionales, proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad,aceleracin y precisin a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas, abrindoles un amplio campo deaplicacin y de futuro. Sin embargo, los motores lineales no sustituirn los accionamientos rotatorios deforma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales en diseos ya existentes, sino que es necesariorealizar un completo rediseo de la mquina herramienta para aprovechar las ventajas que ofrecen. Esnecesario seguir de cerca la evolucin de esta tecnologa y tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevosdesarrollos.

La mquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad

En este captulo se profundizar en las soluciones constructivas de las mquinas-herramienta preparadaspara aplicaciones de alta velocidad.

Este estudio se basa nicamente en los centros de mecanizado (de fresado) y no se tienen en cuenta otrasmquinas de arranque de viruta como tornos, abrasin (rectificadoras) o electroerosin. El concepto demecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para muchas de estas tecnologas, pero slose tratarn los centros de mecanizado (fresadoras) para arranque de viruta.

Para afrontar el estudio de las soluciones constructivas de las mquinas-herramienta hay que definir primerolas necesidades funcionales de las mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa ycuantitativamente diferentes dependiendo de la aplicacin de la mquina. En el caso de una mquina

diseada para el mecanizado de moldes de inyeccin de plsticos, donde el acabado de las superficiescomplejas de 3D es lo ms importante, los conceptos de precisin (0,002 mm), falta de vibracin (


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potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez, amortiguacin, precisin o estabilidad trmica, seinterrelacionan y afectan a muchos de los sistemas de la mquina-herramienta, hacindolos algunas vecesincompatibles con los requerimientos funcionales.

1.1 Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S)

La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la herramienta cuando el cabezal gira a las

revoluciones necesarias para arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de lavelocidad angular del cabezal S, (rpm) y el dimetro de la herramienta, herramienta (mm). Sabemos porcaptulos anteriores que, con estas magnitudes, la velocidad de corte se calcula segn la ecuacin:

donde: Rmax = rugosidad mxima terica (mm) y R = radio de la herramienta (mm)

Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobretodo, los nuevos recubrimientos permitenmecanizar a ms altas velocidades de corte, la mquina debera aumentar proporcionalmente la velocidad

angular de su cabezal.

La velocidad angular mxima del cabezal de la mquina-herramienta depende de un parmetro bsico dediseo. La Vc depende, aparte del tipo de herramienta, de su dimetro y del material que se estmecanizando y, por tanto, de la aplicacin a la que est destinada la mquina.

As pues, para materiales ligeros como el aluminio o el magnesio las velocidades de corte que se puedenconseguir con herramientas adecuadas llegan a 1500 m/min, mientras que para titanio es posible, con suerte,llegar a 80 m/s. La variacin es grande. Adems, las herramientas con las que podemos llegar a cortar conalta velocidad son de 25 mm. (muchas de las aplicaciones aeronuticas en aluminio) hasta a 1 mm. oincluso menores (para mecanizar directamente acero templado para moldes de inyeccin de plsticos).

Por tanto, y poniendo algunos de los casos ms tpicos, la velocidad angular mxima del cabezal tendra que

ser como se muestra en la tabla 1.

Material Vc Herramientamnimo

Velocidad angular(S)

Aeronutica: piezas de estructuras Aluminio 1200 15 25.500

Moldes de inyeccin de plsticos multicavidadde precisin

Acero DIN1.2344

220 1 70.000

Aeronutica: piezas estructurales Titanio 60 10 1.900

Tabla 1.- Velocidad angular mxima del cabezal

Con estos valores se comprueba que las diferencias de velocidad angular de cabezales entre diferentesaplicaciones son evidentes. Estos valores son valores tericos que, en la prctica, se pueden ver limitadospara la potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida til del cabezal o para los avances demecanizado requeridos en estas velocidades angulares del cabezal. De todo esto se hablar en el apartado2.

1.2 Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F)

El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre el corte de uno de los dientes y elsiguiente. Es decir: el avance por diente es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valorest limitado para la rigidez del alma de la herramienta y para la potencia que puede generar el cabezal.

La rigidez de la herramienta depende fundamentalmente de su geometra y su material constructivo, portanto, el valor de fz (mm) es una caracterstica tecnolgica que ha de ser informada por el fabricante deherramientas. As pues, fz y Vc, son las dos caractersticas tecnolgicas que determinan el proceso dearranque de viruta, y las dos las determina la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).


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p

El avance por diente es directamente proporcional al avance de mecanizado (F) e inversamente proporcionala la velocidad angular del cabezal (S) como se indica en la ecuacin 3.3, donde z es el nmero de dientes dela herramienta.

Con esta relacin vemos que, para una fz determinada para la herramienta y con la velocidad angular delcabezal cada vez mayor gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de aumentar en lamisma proporcin. Y prosiguiendo con los mismos ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 segn:

Material ZHerramientamnimo

Velocidad(S)

Avance pordiente (fz)

Avance detrabajo (F)

Aeronutica: piezas deestructuras

Aluminio 3 15 25.500 0,25 19.125

Moldes de inyeccinplsticos

Acero DIN1.2344

2 1 70.000 0,05 7.000

Aeronutica: piezasestructurales Titanio 3 10 1.900 0,2 1.140

Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente

Se observa tambin en esta tabla, como en la Tabla 1, que la variacin de resultados, en este caso de F, esenorme. De todas maneras, el dato ms interesante es que en el mecanizado de alta velocidad (de corte)tambin los avances han de aumentar, y este factor es ms importante que la velocidad angular del cabezalporque afecta de forma directa la dinmica de los ejes coordenados y por tanto a la estructura de la mquina.Es de vital importancia entender que una fresadora de alta velocidad no es una fresadora convencional decontrol numrico con un cabezal de elevada velocidad de rotacin.

La tabla 2 evidencia que la mquina de alta velocidad ha de ser concebida desde un inicio de forma diferente.

1.3 Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: Metal removal rate) y potencia del

cabezal

El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: Metal removal rate) se mide en cm3/min. ytiene relacin directa con la potencia que necesita el cabezal para arrancar este material segn la ecuacin:

Ecuacin 1

donde: Ps = potencia necesaria en la punta del cabezal

MR = constante que define la cantidad de material desalojado por unidad de potencia (cm3/min./Kw).

El factor MRp depende de la geometra, el estado de la herramienta y del material. Siguiendo con losejemplos del apartado anterior se obtienen las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencianecesaria en el cabezal:

Material Avance de trabajo (F) Ae Ap MRR MRp Ps

Aeronutica: piezas estructuras Aluminio 19.125 15 15 4303 71,4 60,2

Moldes inyeccin plstico Acero DIN 1.2344 7.000 0,4 0,04 0,112 14,7 0,008

Aeronutica: piezas estructurales Titanio 1.140 6 5 34,2 20 1,8

Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello

De nuevo se observa que las potencias necesarias en la punta del cabezal difieren mucho entre las distintasaplicaciones.


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1.4 Relacin de tiempo de corte y tiempo de no-corte

Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente, la reduccin del tiempo delproceso de mecanizado. Hasta ahora se ha visto el mismo proceso tecnolgico, pero en el proceso total defabricacin de una pieza intervienen otros tiempos donde la mquina no elimina material, que pueden serdenominados tiempo de no-corte (del ingls: non-cutting time). Este incluye los tiempos de carga ydescarga de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vaco de los ejes y aceleracin ydesaceleracin del cabezal.

Todos estos factores son ms importantes cuanto menores sean los tiempos de mecanizado. Esta relacinde tiempo de corte/tiempo de no-cortedetermina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte enuna mquina.

Por ejemplo, en un molde donde el tiempo de mecanizado de una pieza mediana (ie: carcasa de un telfono)es de 20 o 30 horas, los tiempos perdidos por carga y centrado de pieza (15 min.), cambios de herramienta,etc., son prcticamente despreciables y por tanto no sern valores muy importantes. En cambio, en elmecanizado de una pieza de pre-fundicin de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar sonmuy pequeos y la cantidad de herramientas es grande para la especializacin de las mismas, los tiempossumados de no-corte pueden llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, lareduccin de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la reduccin del tiempo de mecanizado.

En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a la produccin de piezas en serietienen en cuenta las siguientes caractersticas.

1.4.1 Aceleracin / desaceleracin del cabezal

Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo ms rpidamente posible.

Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo slo 2 o 3 segundos si se utilizancondiciones de alta velocidad (S=15.000 rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajosupusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad el rendimiento del proceso seraextremadamente pobre. En el apartado 2 se ver que este factor afectar a menudo el diseo del tamao de

los rodamientos del cabezal.

1.4.2 Tiempo de cambio de herramienta

En los procesos de mecanizado de las piezas de alta produccin sta es la accin que ms hace aumentar eltiempo de no-corte. Por este motivo, los fabricantes de mquinas-herramienta han desarrollado sistemas demuchos tipos para reducirlo.

En algunos diseos de mquina el cambio de herramienta determina hasta la configuracin de los ejes, y sesacrifican otros factores importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de ineficacia. En elapartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuestas.

1.4.3 Avance en rpido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes

Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los tiempos de posicionamiento. En laspiezas donde hay muchos procesos de agujereado, roscado, etc., los tiempos de posicionamiento son muyimportantes. Los avances en rpido no son los nicos responsables de minimizar estos tiempos.

Las piezas de produccin son a menudo de dimensiones reducidas, y los posicionamientos de operacin aoperacin son de menos de 100mm. Si la velocidad mxima de la mquina es de 50 m/min. pero se necesitan400 mm. para conseguir esta velocidad, la solucin es invlida. Por tanto las aceleraciones son muyimportantes y, por ello, a menudo los datos son dados en tiempos requeridos para posicionamientos de ciertasdimensiones.

La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma vital en el diseo de los sistemas deaccionamiento, guas, y estructura de la mquina para conseguir dinmicas muy interesantes. Pensamos queen las mquinas de produccin se puede hablar de velocidades superiores a los 50 m/min. y aceleracionessuperiores a 1G.


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Otra consideracin tiene los ejes rotativos que estn a menudo aparte de los tiempos de posicionamiento, yrequieren tiempos de enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas al mecanizado.Muchas piezas de stas son tan importantes como las de posicionamiento de los ejes coordinados.

1.4.4 Tiempo de cambio de palet

En las mquinas de produccin los tiempos de preparacin de piezas se minimizan utilizando cambios de

palet (o tabla) para poder hacer la preparacin de las piezas en paralelo al mecanizado en una estacinexterna. Entonces el nico tiempo que provoca no-deficiencia es el tiempo de cambio de palet. Este tiempodepende evidentemente de la carga del palet, pero por lo general es de segundos.

1.5 Estabilidad trmica

Hasta ahora se han comentado caractersticas tecnolgicas que afectan directamente a alguno de loselementos de la mquina-herramienta: la Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo dela mquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en comn intentar reducir el tiempo de proceso o minimizarlos tiempos de no-corte, y por tanto se necesita adems potencia en los sistemas de accionamientos.

Desgraciadamente esta potencia extra tambin provoca cantidad de calor extra que puede provocarreducciones en la vida de los elementos mecnicos, as como falta de precisin. Por ello es de vital

importancia extraer el calor generado en las mquinas de alta velocidad.

Evidentemente cada da se construyen sistemas ms eficientes donde las prdidas de calor se minimizan,pero estos avances afectan ms a los sistemas electrnicos que a los mecnicos, donde la friccin y lasfuerzas de inercia siempre suponen generacin calorfica.

Se ver en los siguientes apartados que la generacin de calor afecta a todos los sistemas mecnicos.

1.5.1 Cabezal

En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades de corte es necesario aumentar lavelocidad de angular de los cabezales. Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -que

tendr tambin que girar a ms revoluciones - o al sistema de transmisin, que tendr que multiplicar anms las revoluciones del motor - afrontando graves problemas de equilibrado y vibraciones.

Tambin afecta directamente a la composicin, naturaleza y tamao de los rodamientos del propio cabezalque debern ser dimensionados de acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que debendesarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecnica de los rodamientos es proporcional a su dimetro, peroun dimetro mayor tambin provoca una mayor fuerza centrfuga y generacin de calor, reduciendo as la vidade los rodamientos.

Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el proceso de mecanizado y una vida tilrazonable supone un compromiso de diseo, que comprometer, en muchos casos, la necesidad derefrigeracin de los rodamientos con sistemas complejos.

Aparte del problema mecnico, la generacin de calor hacia el cabezal afecta directamente a la precisin deleje Z de la mquina. Inexorablemente, el calentamiento del cabezal compromete el alargamiento del mismo.El intento de control de este alargamiento es vital en procesos de mecanizado donde buscamos precisionesen el eje Z de menos de 0,010 mm. (como en moldes de inyeccin de plstico de precisin) y supone uno delos campos de estudio ms importante para los ingenieros de diseo de la mquina-herramienta.

1.5.2 Sistema de accionamientos

El sistema de accionamientos resulta tambin afectado para la generacin de calor. Para conseguirvelocidades ms altas se aumentar el paso del husillo de bolas, requiriendo a la vez una potencia superiordel motor. Este entonces genera ms calor de lo normal (aunque los servomotores sin escobillas tieneneficiencias muy elevadas) que se pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la mquina.


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Pero el elemento ms crtico es el husillo de bolas. Este se calienta por el calor generado en la hembra aunquese trate bsicamente de un proceso de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas y hembra.Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas afectando su vida y la precisindimensional de la mquina.

1.5.3 Estructura

La estructura es un elemento esttico, pero tambin puede recibir calor procedente de diversas fuentes. Unade ellas es el calor generado en los accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conduccin ala estructura, por lo que tendremos que aislarla. Otras fuentes importantes de calor pueden ser las externas,como la temperatura ambiente o los rayos solares.

Estos factores no se tienen a menudo en cuenta, pero pueden afectar tanto a la precisin como a las fuentesinternas de la mquina.

Por ltimo, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el mismo proceso de corte. El mecanizadode alta velocidad basa la proteccin de la herramienta en que parte del calor generado en el corte se lo llevela viruta. Adems muchas veces el corte se ha de hacer con emulsiones refrigerantes que se llevan tambingran cantidad de calor. Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto directo con laparte de la estructura de la mquina que configura el rea de trabajo, transmitiendo tambin el calor recibido

para conduccin.

1.6 Rigidez amortiguacin

La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformacin sobre una carga. Podemos hablar de rigidez estticasi el cuerpo recibe la carga constante y de rigidez dinmica si la naturaleza de la carga se frecuencia. En unamquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por tanto los elementos constructivos de lamisma han de tener en cuenta las dos.

Las cargas constantes son fundamentalmente la misma estructura y el peso de la pieza a mecanizar ysistemas de utillajes. Tambin en menor medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporcionesde diseo de las partes estticas y mviles de la estructura han de asegurar una alta rigidez pero, adems,

tienen que poder dar una buena respuesta dinmica.

Las cargas dinmicas son las debidas principalmente al proceso de corte. Pensamos que a las mquinas dealta velocidad las revoluciones del cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm loque supone, teniendo en cuenta que una herramienta integral tiene habitualmente 2 labios, una frecuenciade:

f = (40.000/60)2 = 1333 Hz.

Es importante a la hora de disear las caractersticas estructurales de una mquina alejar lo ms posible lafrecuencia natural de las frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que, comportan amenudo, roturas de herramienta y acabados superficiales muy pobres.

La amortiguacin es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones. Esta absorcin de vibraciones sehace mediante fuerzas de fregamiento. Estas fuerzas pueden ser fuerzas de fregamiento seco (o Coulomb)entre dos slidos del sistema, fuerzas de fregamiento de un cuerpo en un fluido o fuerzas producidas para elfregamiento interno entre las molculas de un cuerpo que se deforma (elasticidad).

En una mquina-herramienta es la absorcin de energa vibratoria la que produce mayoritariamente lasdeformaciones de la estructura y de los elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales sedeforman, los husillos de bolas pueden colgar y las guas aumentan y disminuyen la precarga. Laamortiguacin es, en principio, contraria a la rigidez, y esto hace que los parmetros de diseo de loselementos constructivos siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguacin.

Vale la pena profundizar un poco ms en las consecuencias fsicas de esta dicotoma. Si simplificamos a 1variable y en 1 elemento toda la estructura de la mquina, podemos considerar que la rigidez de toda lacadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de rigidez kdonde:


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Ecuacin 2

Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las vibraciones podemos modelarlos como unfregamiento viscoso con constante de amortiguacin cdonde:

Ecuacin 3

La propia masa de la estructura responde a la ecuacin:

Ecuacin 4

Y finalmente la accin de la herramienta se puede modelar como una fuerza peridica de la forma:

Ecuacin 5

De esta manera la ecuacin dinmica del sistema es:

Ecuacin 6

La solucin general de esta ecuacin diferencial se obtiene sumando su solucin particular con la solucingeneral de la ecuacin homognea.

Esta ltima modela la respuesta a un nico impulso de vibracin. Tiene tres soluciones dependiendo si elvalor de la constante de amortiguacin es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente crticode amortiguacin cc.

Ecuacin 7

donde p es la frecuencia angular de la vibracin no amortiguada (o sea la frecuencia en el caso que c fuese0) tambin llamada frecuencia natural del sistema. Esta frecuencia depende nada ms de m y k y es portanto una caracterstica propia del sistema.

As pues:

1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobre amortiguacin, y la solucin general es:

Ecuacin 8

donde 1 y 2 son soluciones reales de la ecuacin homognea. La solucin corresponde a un movimiento novibratorio, donde el sistema vuelve a su estado despus de un tiempo.

2. Si c=cc se produce la amortiguacin crtica y la solucin general es:

Ecuacin 9

Esta solucin tampoco es vibratoria y hace volver al sistema a su estado inicial en el mnimo tiempo posible.


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3. Si c0, q es ms grandeque la frecuencia de la vibracin no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguacin. Estasolucin representa un movimiento vibratorio con amplitud decreciente que se amortigua ms deprisa cuantoms parecido sea c a cc y que el extremo no se amortiguara si c fuese 0 (movimiento vibratorio).

Fig. 1.- Amortiguacin

La solucin particular, por su parte, es de la forma:

Ecuacin 12

donde:

Ecuacin 13

y:


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Ecuacin 14

La relacin xm / Fm/k se llama factor de amplificacin, y se expresa en relacin a 2 factores:

/p, que representa la relacin entre la frecuencia de la fuerza aplicada (en este caso lafrecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural del sistemac/cc, que ya ha sido denominado llamado factor de amortiguacin

Dibujando un grfico del factor de amplificacin en relacin a /p y c/cc (figura 2) se observa que si =p lamquina entra en resonancia. Esta situacin es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones queproducen roturas de herramientas y acabados superficiales muy degenerados.

Fig. 2.- Grfico del factor de amplificacin en relacin a /p y c/cc

Para evitar este efecto podemos:

Aumentar el factor de amortiguacin c acercndolo a cc para reducir el efecto deamplificacin.Disear la mquina para que la frecuencia natural p se aleje de las frecuencias de trabajo.Notamos que la frecuencia natural p aumenta con la rigidez y disminuye con el peso. Estosdos factores sern claves para el diseo de las mquinas y de las frecuencias naturales.

Este anlisis es mucho ms complejo en la realidad. Existen mltiples frecuencias naturales para cada sistematambin en diferentes direcciones. En general, las frecuencias naturales se comprueban experimentalmentedespus de fabricar la mquina.

Lo ms importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y la amortiguacin de la mquina conel fin de conseguir mquinas precisas y con buena respuesta que, adems amortigen, las vibraciones decorte.

2 ESTUDIO DE LAS CARACTERSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MQUINA-HERRAMIENTA

Sabiendo lo que se necesita para tener una mquina de alta velocidad. En este captulo se intenta explicar

que formas se puede conseguir.

Este apartado limitar al estudio de los centros de mecanizado, tanto verticales como horizontales de 3 ejes.


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2.1 Materiales de construccin

Bsicamente las estructuras y elementos de las mquinas se han hecho siempre de fundicin gris, con todassus variantes de composicin y por tanto de calidad. Hoy en da existen los materiales polmeros quemejoran algunas caractersticas de la fundicin.

Para producciones reducidas, se utilizan estructuras soldadas que eventualmente se pueden llenar de

hormign y algunos elementos de la mquina pueden estar hechos con materiales como el aluminio paradisminuir el peso y mejorar as la respuesta dinmica. Intentamos en este apartado analizar las ventajas y losinconvenientes de todas estas soluciones.

2.1.1 Fundicin

La fundicin gris es el material ms utilizado en la construccin de estructuras y elementos de las mquinasherramienta. De las diferentes composiciones la ms utilizada es la meehanita.

La fundicin ofrece la posibilidad de conformar el material mediante unas estructuras de madera que imitanla forma final del elemento de fundicin en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta formando loque ser el molde de la fundicin. Se extraen entonces las maderas interiores y se llena de la fundicin. Unavez la fundicin se solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y limpiando la superficie.

La fundicin entonces pasa a una fase de estabilizacin necesaria para que una vez el elemento de laestructura est montado su deformacin sea mnima. Esta fase de estabilizacin es muy importante en cuantoms precisin necesita la mquina.

La empresa americana Moore, lder en fabricacin de rectificadores en coordenadas de alta precisin, hacedescansar las estructuras de fundicin ms de un ao al aire libre para estabilizarlas. Adems mantiene unapoltica de recuperacin de las estructuras con sus clientes que le hace fabricar nuevas mquinas contecnologa de control numrico y electrnica de ltima generacin aprovechando la estructura de unamquina con 10, 15 o 20 aos. Despus de todo este tiempo la estabilidad de la estructura est msasegurada.

Los elementos de fundicin son posteriormente mecanizado s para conformar las zonas de unin entre losdiferentes elementos estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos. Lamaquinabilidad de la fundicin hace fciles estas operaciones.

2.1.2 Estructuras soldadas

La solucin de la fundicin es demasiado cara para la construccin de mquinas especiales de ms bajaproduccin para la amortizacin de los moldes de fundicin. En estos casos se elige una solucinconstructiva a base de elementos de acero soldados. El diseo y fabricacin de las estructuras se transformaentonces en simple y flexible.

Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables en mquinas de precisin. La

estabilidad y prediccin de los elementos soldados bajo cargas mecnicas y trmicas son difciles debido a lapresencia de las soldaduras. Estas son de difcil ejecucin y los elementos son, en consecuencia,heterogneos. Todo esto hace que las flexiones y torsiones mecnicas o trmicas sean muy superiores a lasde la fundicin.

Adems, la amortiguacin a las vibraciones de estas estructuras es muy pequea por estar constituida,fundamentalmente, por elementos de acero. Esto limita la aplicacin de estas estructuras en procesos dedesbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan ser amortiguadas para asegurar laestabilidad del proceso.

Una solucin parcial al problema de la baja amortiguacin es llenar las estructuras de acero soldado conhormign. Esto le da capacidad de amortiguacin. Es importante mantener siempre el contacto entre el aceroy el hormign para no perder capacidad de amortiguacin. Se utilizan en estos casos aceros con relieve (alestilo de las barras de construccin para el hormign armado) y se intenta vibrar el hormign para que lleneperfectamente todo los volmenes, aumentando as la zona de contacto acero-hormign.


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En esta solucin la estabilidad trmica es fundamental, por el hecho de que el acero y el hormign tienencoeficientes de expansin trmica diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorcin de vibracionespuede ser tambin distinta.

2.1.3 Materiales polmricos

Como alternativa se pueden utilizar los materiales polmricos.

stos han sido utilizados desde hace aos en alguno de los elementos de la mquina-herramienta. Laventaja fundamental respecto a la fundicin es su capacidad de absorcin de vibraciones, que es unas 10veces superior. A continuacin se presenta un grfico que compara esta caracterstica en la fundicin y en unmaterial bastante novedoso denominado Metalquartz:

Figs. 3 y 4.- Absorcin de las vibraciones de la fundicin (izquierda) y del Metalquartz(derecha)

Esta caracterstica hace que este material sea ideal para bases o bancadas de mquina. Sus caractersticaselsticas y resistentes no lo hacen, pero no es aconsejable para la construccin de elementos sometidos aaltas cargas de compresin, traccin y flexin. A continuacin se presenta una tabla con las propiedadesmecnicas de este material comparado con las de la fundicin gris.

Propiedades Fundicin gris Polmero

Mdulo de elasticidad E (kg/mm2) 12.600 4.200Resistencia a la traccin (kg/mm2) 35 2,5

Resistencia a la compresin (kg/mm2) 105 13

Coeficiente de dilatacin trmica (m/Cm) 12 12,1

Conductividad trmica (W/Cm) 2.286 160

Densidad (g/cm3) 7,2 2,3

Amortiguacin Normal Muy alto

Maquinabilidad Normal Baja

Tabla 4.- Propiedades mecnicas del Metalquartz comparadas con las de la fundicin gris

Vase que, en elementos con esfuerzos, la fundicin sigue siendo el material con ms garantas.

Hay que destacar el coeficiente trmico de expansin, ya que en los materiales polmricos es prcticamenteidntico al de la fundicin. Esta caracterstica evita problemas mecnicos y de precisin en las unionesfundicin-polmero, lo que hace a los materiales polmricos ideales para ser combinados con la fundicin ydar as ms capacidad de absorcin de vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra unejemplo de una base de una mquina hecha con polmero.


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Fig. 5.- Base de una mquina tipo puente construida con material polimrico

2.2 Estructura

La estructura de una mquina sirve para otorgarle rigidez y amortiguacin a las vibraciones, a la vez quecondiciona la precisin y la estabilidad trmica. Adems ha de facilitar la carga y descarga de la pieza, enaras de la ergonoma para el operador.

2.2.1 Parmetros de diseo

Las mquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado, requieren de una gran rigidez y unaelevada respuesta dinmica.

La rigidez es funcin de los materiales utilizados en la construccin, de la estructura interna o de los enervadosde los elementos constructivos y de las dimensiones de los carros.

De los materiales de construccin se ha hablado anteriormente. Suponiendo el material de fundicin gris, laestructura interna de los elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios que loconforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el peso, siempre importante para la respuestadinmica, y el por precio/kg. de la fundicin. Estas estructuras enervadas se disean con la ayuda de mtodosde elementos finitos.

Fig. 6.- Resultado del diseo FEM de la base de una mquina

En las dimensiones de diseo es importante evitar al mximo los voladizos, con las dimensiones mximas degua, y las mnimas distancias entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de trabajo.Los problemas de rigidez ms importantes en una mquina-herramienta son debidos a los esfuerzos deflexin o torsin, ms que a los de compresin o traccin.


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En un voladizo, una de las unidireccionales rgidas es proporcional a:

Ecuacin 15

donde L es la dimensin del voladizo o, en el caso de la estructura, lleva cabezal de un centro demecanizado tipo C, la distancia entre las guas del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre las guas.Anlogamente para las dems dimensiones:

Ecuacin 16

Ecuacin 17

donde H es la dimensin de la zona guiada. Estas consideraciones se pueden comprobar en la figura 7.

Fig. 7.- Carro porta-cabezal de un centro de mecanizado tipo C

Ntese por tanto que, para hacer la estructura ms rgida, es preciso minimizar L y maximizar H y A. Estasconsideraciones se pueden hacer sobre todos los dems elementos estructurales de la mquina, con losmismos resultados pero diferentes conceptos.

2.2.2 Guas

Los componentes de gua son fundamentales en la dicotoma rigidez-amortiguacin de una mquina.

Las guas son el nico elemento de discontinuidad en el sistema estructural de la mquina y, por tanto,suponen uno de los puntos dbiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad puededotar al sistema de una capacidad de absorcin de las vibraciones importante. El sistema de guas determina,en parte, las aplicaciones de la mquina-herramienta.

Bsicamente, las guas pueden ser de tres tipos: guas de friccin hidrodinmicas, guas de rodadura y guasde friccin hidrostticas.


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2.2.2.1 Guas de friccin hidrodinmicas

Las guas de friccin hidrodinmicas eran las nicas guas comnmente utilizadas hasta hace 10 aos. Setrata de dos superficies planas o inclinadas, rectificadas y tratadas trmicamente para aumentar la durezasuperficial, que incorporan una pelcula intermedia de aceite para mejorar el deslizamiento. Las superficiespueden ser rasqueteadas dependiendo de la precisin geomtrica requerida, y una de las superficies lleva unrecubrimiento de Turcitepara disminuir el deslizamiento y mecanizar los conductos de aceite (figura 8).

Fig. 8.- Proceso de rasqueteo en una gua con Turcite

Estas guas se ajustan mediante planos inclinados que acercan o separan las superficies. Con el desgasteestos planos inclinados pueden reajustarse, pero las guas hidrodinmicas tienen una vida limitada a 10-12aos, despus de los cuales se tendran que volver a rasquetear las superficies.

Estas guas presentan una buena absorcin de las vibraciones para la pelcula de aceite, y el coeficiente deamortiguacin es proporcional a la superficie de contacto. Esta caracterstica las hace ideales paraaplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en aplicaciones donde el acabado superficial es crtico.Un buen ejemplo seria la mquina de la figura 9, que se utiliza bsicamente para hacer grandes esfuerzos decorte.

Fig. 9.- Estructura de un centro de mecanizado vertical tipo C utilizado para hacer grandes desbastes

Se presentan algunos problemas con estas guas. El cizallamiento del aceite produce resistencia almovimiento, por lo que es necesario un motor ms grande que con otros sistemas para conseguir las mismasaceleraciones y movimientos en rpido.


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Adems, se produce un efecto de stick-slip debido a la diferencia de valor del coeficiente esttico ydinmico de friccin. Cuando la mquina se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la friccin delsistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se producen constantes cambios desentido en los ejes, ya que se presenta una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza amoverse y despus de comenzar. De aqu el nombre de stick-slipo pegar-deslizar. Este efecto no favorece,en principio, a las mquinas que deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.

2.2.2.2 Guas de rodadura

Las guas de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El elemento fijo montaunas guas rectificadas con unas superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un circuitocontenido en un bloque precargado y que se fija al elemento mvil de la mquina. Para cada gua se montaun mnimo de dos bloques. Cuanto ms largo sea el elemento mvil, ms bloques habr que montar. Estasguas no necesitan ajuste, y su vida es presumiblemente mayor que la de las guas hidrodinmicas, si bienno se dispone todava de valores estadst icos suficientes para asegurarlo.

Figs. 10 y 11.- Seccin de una gua de rodadura con cilindros de la marca IKO (izquierda) y una gua derodadura de bolas montada al carro de una mquina horizontal de la marca THK (derecha)

Las guas de rodadura presentan una mayor rigidez que las guas hidrodinmicas del mismo tamao, pero lacapacidad de absorcin de las vibraciones es mucho ms pobre. El coeficiente de friccin es mucho ms

bajo y, se pueden conseguir respuestas dinmicas ms cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.

Estas guas son hoy en da la solucin casi exclusiva a las mquinas de produccin que requierenaceleraciones y velocidades muy elevadas para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo semuestra el centro de mecanizado vertical de la fotografa siguiente. Este centro tiene movimientos en rpidode 40 m/min, y est destinado bsicamente a la produccin de pequeas piezas de aluminio prefundido.

Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la produccin de piezas. Todas las guasson de rodadura


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2.3 Ejes

La cadena cinemtica de los ejes est formada por el soporte del motor, la unin motor-husillo, losrodamientos de soporte del husillo a bolas, el mismo husillo de bolas y la unin con el carro del eje. Estesistema determina la respuesta dinmica de la mquina y la precisin de posicionamiento, junto alservomotor de mando y el sistema de captacin de posicin.

2.3.1

Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque son las primeras en transmitir el pardel motor. Las uniones pueden ser bsicamente directas o indirectas.

2.3.1.1 Uniones indirectas

Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el motor y el husillo a bolas. Estasolucin se adopta bsicamente para problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar elpar o la velocidad de salida del motor con una proporcin reductora o multiplicadora respectivamente.

Esta solucin no es recomendable en una mquina de alta velocidad, porque la transmisin a correa rebaja

la rigidez del sistema debido a la elasticidad de la correa y, especialmente, a frecuencias de trabajo altas.Adems tambin afecta a la precisin del eje, si bien el error cometido depende mucho del montaje del sistemade medida, como ya sabemos de un captulo anterior.

La ventaja ms importante de estos montajes es el aislamiento trmico del motor, cosa que evita evacuarcon tanta urgencia el calor que genera.

2.3.1.2 Uniones directas

Las uniones directas consisten en una unin doble que fija los extremos del husillo y del eje del motor. Estasuniones pueden tener diferentes grados de rigidez.

Las uniones ms rgidas son simplemente una pieza slida de acero. stas proporcionan mucha precisin,pero obligan a un montaje muy preciso porque no absorben ninguna desalineacin de los ejes motor y husillo.Esta desalineacin crea un esfuerzo cclico, que puede producir la rotura de alguno de los ejes por fatiga.

Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan cierta flexibilidad radial y axial, peroen cambio tienen mucha rigidez torsional. stas son, sin duda, las ms utilizadas en las mquinas de altavelocidad.

Fig. 13.- Zona de unin del eje

2.3.2 Husillo de bolas

Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento rotativo del motor en movimiento linealde la hembra del husillo. En la rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por lahembra. sta suele ser doble con moldes intermedios que compensan la holgura con las pistas del husillo.


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mecanizado alta velocidad

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