Ejemplos de
aplicación del Mecanizado de Alta Velocidad
Juan Martín - Técnico Comercial
Juan Martín, S.L.
Lluc Castellano Almoril
En este capitulo, aunque queramos dar una imgn general de
la industria del mecanizado, se pone más énfasis en el mecanizado de moldes y
matrices por ser, con mucho, el sector de más consumo de mecanizado de alta
velocidad en nuestro país.
MECANIZADO DE COMPONENTES
Por mecanizado de componentes se entiende
la fabricación de piezas finales para diferentes ámbitos industriales.
De entre las múltiples aplicaciones, el estudio sólo se basará en el campo
del automóvil y en el campo de bombas y compresores como ejemplo de la
industria básica.
La única diferencia entre
hablar de especificaciones automovilísticas y de la industria
básica es el volumen de producción. En la primera los volúmenes se
consideran elevados (> 500.000 piezas / año) mientras que en la industria básica
se habla de volúmenes medios (> 5.000 piezas / año).
Evidentemente, estos números dependen de la dificultad del
mecanizado pero nos darán una idea de los requerimientos de automatización,
de los tipos de herramienta utilizada, de los tipos de fijaciones, etc...
La variabilidad de tamaños, materiales, volúmenes de
producción, precisiones, acabamientos superficiales, sobrantes de material,
etc.. de los componentes mecanizados en este campo es total. Se hace por tanto
imposible analizar todos los casos. Por este motivo basaremos el estudio en
piezas concretas representativas del sector.
Piezas de aluminio y otras aleaciones ligeras
En los últimos años el número de componentes de
aluminio a mecanizar ha aumentado de forma considerable.
En sector del automóvil cada vez son más los componentes
que se fabrican en aluminio, para reducir el peso total de los coches. Brazos de
suspensión, bombas de refrigeración, culatas, y un largo numero de piezas están
ya habitualmente hechos de aluminio.
Por otro lado, en el sector de los computadores los
componentes de aluminio se están sustituyendo por componentes de aleaciones de
magnesio. Estos materiales permiten fabricar los elementos más delgados que en
aluminio, con la misma rigidez. Son, por lo tanto, adecuados para componentes
donde el volumen juega un papel importante como, por ejemplo, los chasis de
ordenadores portátiles.
También en la industria básica se utiliza el aluminio
cada vez con mayor frecuencia. Los cuerpos de rotación de las bombas de vacío
o las estaciones de repetición de telefonía móvil, están fabricadas de este
material.
Componentes en producciones de alto volumen
Los componentes de aluminio en producciones de alto volumen
están prefabricados con moldes de inyección de aluminio. Tendrán normalmente
espesores de mecanizado muy pequeños (habitualmente < 2 mm) y por tanto los
tiempos de mecanizado serán relativamente bajos.
La producción de un molde para estas piezas es fácilmente
y se reduce el tiempo de mecanizado, abaratando los costes de producción total.
En estas piezas se utilizan a menudo herramientas de PCD
(diamante poli-cristalino) para las operaciones de fresado porque, aunque
el coste es grande, la vida de la herramienta puede llegar en algunos casos a
superar la producción total del componente y por lo tanto el coste de operación
baja. Los acabados superficiales son excelentes y las velocidades de corte
pueden aumentar hasta 1500-2000 m/min. Así que estas herramientas dejan de ser
un consumible.
En general, en todas las aplicaciones de aluminio, las
herramientas se utilizan con emulsión refrigerante para evitar
temperaturas que hagan el aluminio pastoso y se enganche en las herramientas
destruyendo el recubrimiento. En especial en las operaciones de agujerear la
herramientas necesitan refrigeración por el interior del cabezal. Cuanto más largo y
más grande sea el agujero más presión del refrigerante a través de la herramienta. Las máquinas trabajan habitualmente con 20-30 bar
pero algunas ofrecen opciones para trabajar hasta 70 bar.
Las trayectorias de mecanizado para
los componentes prefabricados son muy sencillas y normalmente se programan
directamente al CNC de la máquina. También en la máquina se optimizan
profundidades y anchos de pasada, avances y revoluciones para obtener los
mejores tiempos con costes de herramientas razonables.
El CNC necesita
capacidad de seguimiento de las trayectorias a altos avances, pero los programas
a ejecutar no son densos y generalmente solo de 2D. Incorporan por tanto
algoritmos “ look-ahead” y “ feed-forward” pero no se
necesitan grandes almacenes de memoria ni comunicaciones Ethernet.
Los accionamientos
en cambio han de tener una muy buena respuesta: las aceleraciones y
velocidades de posicionamiento han de extremarse. De echo esta es la aplicación
ideal para los innovadores motores lineales. Los husillos a bolas y
acoplamientos deben estar preparados para un trabajo continuo a máximas velocidades y aceleraciones, por lo tanto, muy a menudo se
refrigeran. Todo y esto se pueden dilatar en ciclos de trabajo muy cortos y en
cambio las tolerancias de las piezas (> 0,02 mm) no requieren nada que no se
pueda resolver con reglas lineales, aunque los husillos presenten a menudo el
extremo nada más soportado.
El cabezal no necesita mucha potencia pero si
grandes velocidades y aceleraciones. Los cambios de herramientas son constantes
y en el tiempo viruta-viruta la aceleración/ desaceleración del cabezal juega
un papel muy importante. Los materiales (aluminios y magnesios) requieren
velocidades de corte muy grandes y por lo tanto se han de escoger cabezales con
velocidades superiores a 24.000 rpm.
Los rodamientos pueden ser por tanto los mínimos para equipar interfases HSK-A63
(o sea Ø interior = 55
mm), imprescindibles en estas aplicaciones a velocidades elevadas.
Aunque no se genere mucha viruta, los sistemas de
evacuación han de ser eficientes para trabajar de forma continuada. El área
de trabajo ha de estar bien preparada para no acumular virutas que a lo largo
del tiempo puede ser fatal para algún sistema de la máquina. Los sistemas de
autolimpieza con emulsión son
absolutamente necesarios.
Los controles térmicos se hacen críticos en los sistemas
de accionamientos lineales (husillos y bolas) y en el cabezal. Los sistemas de evacuación de calor determinan
la vida de estos elementos.
Componentes en
producciones de volumen medio-bajo
Los componentes en producciones de volumen medio-bajo no se
pueden permitir, en principio, el coste de un molde de inyección. Así El
mecanizado de la pieza parte del bloque y genera todas las formas necesarias
para la composición del componente final
Los requerimientos de la aplicación son muy parecidos
a los componentes de alto volumen. Solo se han de destacar:
-
Las herramientas pueden no ser de PCD debido a su elevado coste. Como
además se han de mecanizar formas complejas la geometría de la herramienta
puede ser estándar.
- Los programas, aunque cortos y en 2D, se generan a menudo en el CAM.
Especialmente El mecanizado de cajeras y contorneados complejos. En estos se han
de aplicar claros conceptos de alta velocidad para intentar mantener el esfuerzo
sobre la herramienta constantemente.
-
Algunas aplicaciones de la industria básica requieren tolerancias < 0,010 mm, como por ejemplo
el componente de la bomba de rotación de la figura 3. Las necesidades de
altas aceleraciones y avances quedan entonces en segundo plano. Los soportes del
husillo a bolas requieren fijo-fijo y el control térmico ha de ser mucho más preciso en todas las fuentes de calor.
- Los cabezales necesitan mucha más potencia que las aplicaciones de alto
volumen debido a la cantidad de material a desarrollar. La velocidad de rotación
en cambio puede sacrificarse dependiendo de la pieza. A menudo en estas piezas
el ciclo de mecanizado ocupa más de un 75% del tiempo al desbaste. Por lo tanto la
primera prioridad es reducirlo.
- Los sistemas de evacuación de virutas han de soportar cuadales de
material de hasta 5 l/min en continuo. Son por lo tanto mucho más exigentes que
en las piezas de producción de alto volumen
CENTRO DE MECANIZADO PARA APLICACIONES EN LA INDUSTRIA BÁSICA
Se desea ahora validar las necesidades de las aplicaciones de medio-bajo volumen con el
estudio de un centro de mecanizado adecuado para estas aplicaciones.
Se trata del centro de mecanizado horizontal Makino A 55ε.
Este centro se ha aplicado con gran éxito, por ejemplo, en El mecanizado de
componentes rotativos de las bombas de vacío, que necesitan productividades
medias y donde las precisiones son muy exigentes (figura 3)
Sus características fundamentales quedan reflejadas en la
tabla 1. También se muestra una imgn general de la máquina en la figura 4.
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Recorrido de los ejes |
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| XxYxZ |
560x560x560 mm |
| Velocidad de avance de trabajo / aceleraciones |
85 m/min / 1G |
| Palet |
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| Dimensión |
400 x 400 mm |
| Dimensión máxima de pieza |
Ø 630 x h 900 mm |
| Carga máxima |
500 Kg |
| Cabezal |
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| Velocidad máxima |
14.000/ 20.000 min-1 |
| Tipo de interfase |
HSK-A63 |
| Fig. 4.- Centro de mecanizado Makino A55ε |
Tabla 1.- Características del centro de mecanizado A55ε
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Estructura
La estructura de la máquina tiene características
interesantes para El mecanizado de volúmenes importantes de componentes de
precisión.
-
Toda la estructura está construida en fundición
- La configuración de los ejes para que la mesa (carga de los
componentes) quede sobre el eje Z. Así los ajustes de los ejes X y
Y,
que en general necesitan mejores precisiones de interpolación que el
eje Z, son casi constantes y nada más dependen del peso de la herramienta.
- La máquina se soporta sólo sobre 3 puntos y no necesita
cimentación. La estructura se diseña para se autoportante: esto significa que
no necesita la masa de la cimentación para ser estable. Este hecho asegura las
precisiones a lo largo de los tiempos de operación y facilita el rediseño de
los layout de planta en caso de cambiar la producción a otro tipo de
componente.
-
En estos tipos de diseño los carros de ejes Z e Y acostumbran a ser
bastantes ligeros pero la columna (carro del X) no. En esta máquina se ha
reducido el peso diseñando el soporte de la guía posterior, a una altura
superior al de la guía frontal. Así el momento de flexión que producen
los esfuerzos de mecanizado quedan compensados por la inclinación del soporte (figura
5).
-
Las guías son de rodadura y están permanentemente lubricadas. Con avances de 85 m/min
no hay otra posibilidad (figura 6).
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| Fig. 5.- Estructura del centro de mecanizado en estudio |
Fig. 6.- Guías de rodadura |
Sistemas de accionamiento
-
Todos los husillos a bolas están refrigerados para poder
evacuar el calor generada en los avances y aceleraciones máximas de los ejes (figura
6)
- El accionamiento del eje Z es doble. Así nos ayuda a soportar las
cargas de la mesa y encima nos deja libre la parte central de la estructura que
se aprovecha para montar el extractor de virutas.
- Los soportes de los husillos son fijo-fijo para mantener la máxima
rigidez y precisión, aunque las velocidades y aceleraciones sean tan elevadas.
Cabezal
Este centro de mecanizado puede incorporar cabezales con
diferentes velocidades de rotación dependiendo de las aplicaciones: 14.000 rpm,
para aplicaciones en componentes de acero y fundición, 20.000 para aplicaciones en
aluminio.
En los dos casos se utilizan cabezales integrales con
motores de doble bobinado para dar más potencia a bajas vueltas. Como se ve en
la figura el par es muy elevado (17 kgfm = 166,7 Nm). Los rodamientos tienen Ø
interior =
80 mm, por lo que la rigidez del cabezal es elevad y es capaz de hacer
operaciones de desbaste hasta con la versión de 20.000 rpm.
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| Fig. 7.- Gráficos de potencia y par del cabezal de 14.000 rpm. |
La aceleración/desaceleración es importante para reducir
los tiempos de viruta-viruta. Gracias al control térmico del cabezal que evacua
el calor del motor de 22 kW, los tiempos de aceleración/desaceleración a y
desde 7.000 rpm y 14.000 rpm pueden minimizarse. (tabla 2).
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14.000 rpm |
7.000 rpm |
| Aceleración |
2,0 s |
0,6 s |
| Desaceleración |
1,4 s |
0,6 s |
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Tabla 2.- Tiempos de aceleración / desaceleración de la Makino A55ε
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El cabezal monta como estándar fijaciones HSK para dar más rigidez, aumentando la fuerza de sujeción (18 kN) y mejorar las vibraciones
(2
μm de pico a pico) y por tanto alargando la vida de las herramientas.
Incorpora también refrigeración a través del cabezal
hasta 70 bar para aumentar el rendimiento de muchas de las herramientas de
corte, especialmente cuando se trabaja con aluminio (figura 8).
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| Fig. 8.- Refrigeración a través de la herramienta |
Fig. 9.-Dispositivo de sujeción de los palets |
Mesa y 4º eje
La mesa consiste en un palet intercambiable con
precisiones +- 0,002 mm, asegurando
siempre la corrección de El
mecanizado sin necesidad de hacer comprobaciones dentro de los ciclos de
trabajo. El sistema de fijación integra 4 conos de posicionamiento con 4
sujeciones para asegurar la rigidez mientras se realizan mecanizaciones de
grandes esfuerzos (figura 9).
Para asegurar la precisión del sistema se incorporan
mecanismos de auto-limpiado que impulsan aire mientras se está haciendo el
cambio de la herramienta y así evitar que las virutas se interpongan a las
superficies de posicionamiento (figura 10).
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| Fig. 10.- Mecanismo de auto-limpieza de los conos posicionadores del palet. |
El palet lleva incorporado el eje B de la máquina (figura 5). Este es a menudo un eje solo posicionador (cada 5˚ o 1˚)
pero en este caso se pueden hacer interpolaciones con los ejes X, Y o Z.
Los tiempos de indexación se han minimizado con tal de
reducir al máximo los tiempos de no-corte. Así la indexación de 0˚ a
90˚ se hace en 1,5 s y la de 0˚ a 180˚ en 1,8 s.
Sistemas auxiliares
El
cambiador de herramientas
es accionado por un motor eléctrico y un mecanismo de leva
mecánica que controla todos los movimientos: sujeción y alineación de la
herramienta, rotación del brazo y obertura y cierre de la puerta. Así se
consigue tiempo total de cambio de =,7 s y un tiempo viruta-viruta de 2,7 s.
El
cambiador de palets
es de sistema rotativo y por
tanto los ejes no han de hacer movimientos suplementarios, consiguiendo tiempos
de cambio de 10 s (figura 11).
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| Fig. 11.- Cambiador de palets es de sistema rotativo |
Fig. 12.- Recogedor de viruta |
La evacuación de la viruta se hace con un inteligente
sistema de palets que se sitúan justo debajo del carro del eje Z,. Así gran
parte de la viruta producida en el mecanizado cae directamente sobre el
recogedor (figura 12).
Las chapas de protección de la zona de trabajo están diseñadas
para evitar el acumulamiento de virutas durante las operaciones continuas y la máquina
incorpora sistemas de limpieza de la zona de trabajo desde el techo para limpiar
las protecciones (figura 13) y desde la mesa para limpiar los útiles de
fijación de la pieza mecanizada.
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| Fig. 13.- Chapas de protección de la zona de trabajo |
Control térmico y evacuación del calor
La máquina refrigera los husillos a bola y el cabezal con
el mismo circuito de aceite. Este es refrigerado por una unidad que mantiene la
temperatura constante. También se incorpora una unidad de refrigeración /
calentamiento que mantiene la temperatura de la emulsión refrigerante a
+-0,5˚ C de diferencia con la temperatura de la columna, termo
estabilizando así la zona de trabajo y la pieza mecanizada.
MECANIZADO DE MOLDES Y MATRICES
Los moldes y las matrices son, sin duda, la aplicación más amplia de la nueva filosofía del mecanizado de alta velocidad. En este sector
la introducción de esta nueva tecnología significa más que comprar una nueva máquina
herramienta.
En general se necesita
sobredimensionar las oficinas técnicas
porque como ya se ha explicado
en el capitulo 6, el tiempo necesario para el CAM es claramente superior al
necesario para estrategias de corte más convencionales.
En cambio la sección de
electroerosión se verá reducida
con
toda seguridad, porque como también se ha dicho, ahora se puede mecanizar
para arrancar de viruta materiales que antes eran impensables
gracias a los
nuevos recubrimientos de las herramientas, y también se pueden reproducir
formas más complejas y con radios más pequeños
gracias a la estabilidad de
los nuevos cabezales y la precisión y dinámica del sistema de accionamiento.
Por este mismo motivo se
minimizan los tiempos
siempre
inciertos de pulido
manual y se pueden casi eliminar los procesos de
ajuste final
(gracias a la precisión de la máquina y a la no- imprecisión
de la mano humana).
Todo junto permite
reducir los plazos de entrega y
mejorar la calidad, que es el verdadero objetivo del mecanizado de alta
velocidad en este sector.
España, y en particular Cataluña. Es una de las regiones
europeas con una densidad más alta de moldesy matrices y esta industria es
sin duda el primer campo de aplicación del mecanizado por arranque de viruta.
Cada uno de los sectores de los muelle y matrices se
enfrenta, pero, a problemas diversos y El mecanizado de alta velocidad puede
responder también de diversas formas a estas necesidades. A continuación se
hace un estudio particularizado con alguno de estos sectores.
Moldes de inyección de plásticos
Este es el sector más amplio de los moldes. Componente de
todo tipo de plásticos son múltiples
y están presentes en todos los niveles de nuestras vidas. Si en cualquier
ambiente nos fijamos en la cantidad de objetos hechos con plásticos, y se
piensa que cada uno de esos objetos puede intervenir uno o diversos moldes de
inyección de plásticos, se puede tener una idea de la potencia del sector.
En Cataluña se fabrican moldes de inyección de plásticos
para muy diversas actividades pero podríamos destacar al sector automovilístico,
en el que gran parte de la producción se exporta a las grandes áreas europeas
de fabricación de automóviles / entre ellas España).
Las características del molde de inyección de plásticos
son tan diversas como los mismos componentes, cosa que hace difícil argumentar
soluciones globales para todas las empresas del sector. Las precisiones, los
acabados superficiales, etc.. son muy diferentes entre un molde destinado a la
fabricación de conectores telefónicos
o equipamiento médico y otro destinado a parachoques de coche.
Ahora bien, el sector siente la presión constante de unos
plazos
de entrega cada vez más cortos
y exigencias de calidad que hace 5 años eran impensables.
La
globalización, además, está abriendo todos los
mercados del mundo, y por lo tanto la competencia de las industrias del molde se
sitúan a menudo en países menos desarrollados
donde los coste fijos y laborales son más bajos. Las industrias transformadoras
todavía se sitúan cerca, por
ejemplo, de los fabricantes de automóviles porque el sobrecoste del transporte
es demasiado caro por pieza. Pero para un molde que inyecta millones de piezas,
y con los medios actuales que aseguran la calidad, las distancias no son ningún
impedimento y los factores de
elección de proveedores ya no son geográficos sino de, y en este orden,
plazos de entrega, calidad y precios.
Nada más que con
innovación tecnológica se puede,
por tanto, mantener las cuotas del mercado para esta industria en nuestro país.
El mecanizado de alta velocidad, es uno de los medios para resolver estos
conflictos, con las siguientes estrategias:
-
Especialización de la industria.
A la tecnología de mecanizado
de alta velocidad
las dimensiones, precisiones y características de los materiales son muy
importantes, y dominar esta tecnología para
cualquier tipo de molde se hace, casi siempre inviable. Se requiere, por tanto,
especialización en un tipo y dimensión de molde que obliga a menudo a
sobrepasar fronteras si se quiere aumentar la producción (globalización). Esta
realización implica también la subcontratación de faenas
auxiliares, que a la vez serán especializaciones de otras empresas del
sector (por ejemplo, la fabricación de porta-moldes y otros normalizados).
-
Adopción de métodos de fabricación automáticos sin presencia
de operadores. Los costos laborales serán siempre más bajos en otras partes del
mundo y se ha de intentar reducirlos. Las máquinas de alta velocidad son más caras pero, en general, mucho
más pensadas para la operación automática. A demás
las estrategias de mecanizado de alta velocidad intentan ya hacer constantes las
condiciones de corte, evitando así rotura de herramientas.
-
Redefinición de las etapas de la fabricación
simplificándolas y
haciendo más fácil su planificación y control. La reducción de los
procesos de electroerosión, siempre que sean posibles, son fundamentales
para el ahorro de tiempo en el mismo tiempo de electroerosión y en el de
fabricación de electrodos de cobre o grafito, que no aportan beneficio al
molde. Los únicos elementos que todavía continuaran siendo propiedad de la
electroerosión son las esquinas con radios muy parecidos a 0 y las ranuras muy
profundas (pensemos que con mecanizado de alta velocidad se llegan a hacer
ranuras con esbeltez profundidad / anchura = 15.
-
También en muchos casos, reducción de los tiempos de fabricación por
la posibilidad de mecanizar directamente los bloques de acero templado
desde el desbaste hasta el acabado y ahorrarse así los tratamientos térmicos
intermedios. Estos procesos están siempre sujetos a condicionamientos económicos,
pero si se consideran todos los factores involucrados es a menudo muy ventajoso.
-
La rapidez de los procesos de alta velocidad permiten hacer pasadas de
mecanizado mucho más pequeñas mejorando en 4 o 5 veces los acabados
superficiales con un tiempo de mecanizado parecido o ligeramente mayor, Así
permite reducir los procesos manuales de pulido, ahorrando mano de obra
muy cara. El mecanizado de alta velocidad puede llegar a producir acabamientos
superficiales de Ra = 0,1 μm y mejores, superando los limites de las
erosiones en tiempos considerablemente mejores y sin necesidad de producción de
electrodos.
-
La precisión estática y dinámica de las nuevas máquinas de alta
velocidad, y la presencia mínima de operaciones manuales permiten muchas veces
eliminar los procesos de ajuste de moldes, que a menudo duran semanas y
suponen costes altísimos en dinero y tiempo.
Pero estos avances no se quedan
aquí. La presencia cada vez más importante de los moldistas en la fase de diseño
de los componentes automovilísticos, puede permitir la adopción de nuevas
formas de producto que hagan más fácil la aplicación del mecanizado de alta
velocidad y reduzcan por lo tanto costes globales al sector.
A continuación se presentan
algunos ejemplos de mecanizados utilizando la tecnología de alta velocidad (figuras 14, 15, 16).
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| Fig. 14.- Macho de un molde de inyección de plástico para tapacubos.
Pieza de Ø470 en acero pretratado a 46 HRc. Tiempomtotal de mecanizado
desde el desbats a lacabta: 17 h |
Fig. 15.- Molde entero (macho y hembra)
de la carcasa exterior de un teléfono de
mesa. Hasta las ranuras del macho están
mecanizadas en el centro de mecanizado. Todas las superficies están acabadas de
máquina, sin pulir.
Material DIN 1.2344 a 54 HRc.
Tiempo total de mecanizado 28 horas para la hembra y 52 para el macho. |
Fig. 16.- Hembra de un molde minúsculo
para la fabricación de una tapa de baterías.
Acero templado a 54 HRc. La
herramienta más grande utilizada es de Ø0,5 mm y la más pequeña Ø0,2 mm.
Tiempo de mecanizado 1,5 horas.
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Moldes de inyección
de aluminio
Las exigencias del producto en este sector son muy
parecidas al de los moldes de inyección de plásticos y también, por lo tanto
los beneficios de del mecanizado de alta velocidad.
Pero se han de destacar algunas
características propias:
- Los componentes de aluminio se utiliza a menudo en aplicaciones donde se
necesita una refrigeración eficiente e incluyen por lo tanto aletas de
refrigeración. Estas, en los moldes, Suponen ranuras muy esbeltas que
tradicionalmente han supuesto grandes producciones de electrodos de grafito y
dedicación en tiempo a los procesos de electroerosión. Este elemento ha
de ser por tanto uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad en esta
industria (figura 17).
- Los acabados superficiales no son tan críticos como en el caso de los
molde de inyección de plásticos al ser, en general, los componentes de
aluminio piezas funcionales no vistas. A demás la misma inyección de aluminio
no consigue cualidades superficiales a las piezas muy buenas. Si se necesitan
componentes vistos de aluminio a menudo se acaban en procesos de pulido automático.
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Fig. 17.- Cárter del motor una
motocicleta. Las ranuras que conforman las
aletas de refrigeración son muy profundas. Material DIN 1.2344, 54 HRc. Tiempo: 9,5 horas
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Moldes de soplado
Los moldes de soplado son un caso diferente dentro de los
moldes de componentes plásticos. Estos moldes se utilizan para la fabricación
de botellas de plástico. El sector más alto de consumo es el de las bebidas
refrescantes y sobre todo el agua mineral.
El funcionamiento del molde no
es de inyección. Se utiliza una preforma de plástico inyectado (este
componente si que es inyectado y requiere precisiones muy elevadas), que incluye
la rosca recipiente alargado con un grosor de paredes determinado. Esta preforma
se sitúa dentro del molde y se
sopla aire caliente por el interior de la preforma que calienta el plástico y
lo hace expandirse contra las paredes del molde. Esto da al molde características
particulares
-
El molde se fabrica en aluminio porque al no existir mucho
rozamiento del plástico se pueden conseguir producciones bastante elevadas. Las
máquinas dedicadas a estos moldes han de tener características adecuadas para
estos materiales. El mecanizado del molde supone un tiempo muy limitado.
- Los acabados superficiales son muy exigentes. Nada más hay que comprobar las superficies de las botellas de plástico. El
mecanizado de alta velocidad puede ahorrar tiempo de pulido que es
porcentualmente, muy elevado en estos tipos de moldes. En este sector se comenzó,
hace años, a utilizar interpolaciones NURBS para rebajar tiempos y
mejorar la calidad superficial.
-
La producción de un determinado componente (por ejemplo la
botella de 1,5l de Font Vella) es muy intensa (algunos cientos de miles
o millones cada día) y por lo tanto se han de fabricar muchos moldes iguales. Esto permite reducir
los costes de programación por molde, y
optimizar las trayectorias para intentar mejorar tiempos y acabados
superficiales. Muy a menudo se pueden utilizar máquinas de mecanizado
horizontales más comunes en los campos de producción de pieza final,
aprovechándola mejor evacuación de las virutas que presentan estas
configuraciones, y los elementos auxiliares para reducir el tiempo de no corte
como cambiadores automáticos de palets. En un palet se puede montar un
cubo y en cada uno de sus costados un molde mejorando la autonomía de la máquina
y haciendo el proceso más económico.
-
Tradicionalmente estos moldes no se han utilizado nunca en electroerosión,
y por lo tanto, no se da esta substitución de tecnologías.
En la figura 18 se presenta
uno de estos moldes.
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Fig. 18.- Molde de soplado en material de
aluminio. Tiempo de mecanizado 56min. Rugosidad superficial: 0,6
μm.
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Matrices de forja en caliente y frío
Este sector también requiere piezas repetitivas,
reduciendo por tanto el coste de CAM por pieza fabricada
Los materiales utilizados en la
forja en caliente son aceros templados (generalmente DIN 1.2344 de 44 a 54 HRc).
En el capitulo 10 se ha hecho el estudio económico de viabilidad de una empresa
fabricante de este tipo de matrices. En el estudio de viabilidad se explican
otras características del sector.
En la figura 19 se muestra
una de las matrices más estudiadas de la forja en caliente.
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| Fig. 19.- Matriz de forja caliente para
la producción de bielas para el sector del automóvil. El material es soldadura de muy
baja maquinabilidad. Tiempo total: 2 horas
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Fig. 20.- Punzón para la fabricación de
colzas homocinéticas. Material: ASP-23 . Dureza: 62 HRc. Tiempo: 3 horas
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La forja en frío utiliza
materiales todavía más duros y difíciles de mecanizar (como por ejemplo un
material de la empresa Uddeholm, ASP-23, que después del tratamiento térmico
llega a 62 HRc).
Este sector se debate todavía
entre la conveniencia o no de adoptar máquinas de alta velocidad, o continuar
con las máquinas de electroerosión. Como se ha explicado ya en el capitulo 5,
dedicado a la herramientas, el rendimiento de estas baja mucho en durezas de 62
HRc y por lo tanto los costos pueden se inviables.
Así y todo el futuro es claro,
nada más que un pequeño paso de las herramientas puede desbancar las
electroerosiones totalmente. Ya, que de todas las maneras, hay empresas que
utilizan El mecanizado de alta velocidad para producir sus matrices de forja en
frío.
En la figura 20 se muestra el
punzón de una matriz de forja fría para la fabricación de colzas homocinéticas
para la dirección de los automóviles.
Matrices de extrusión de aluminio
Las matrices de extrusión de aluminio se utilizan en prensas de extrusión que conforman el aluminio en
perfiles. Estos se utilizan básicamente en la construcción (puertas, ventanas,
etc..).
Este sector también requiere grandes producciones de
matrices pero en este caso no repetitivas. De todas maneras las matrices de
extrusión tienen elementos morfológicamente muy semblantes y el elemento más cambiante es el perfil de calibración que se hace únicamente con
electroerosión de hilo.
Los materiales utilizados son también DIN 1.2344 con
tratamientos técnicos para inducirlos a 52-54 HRc (figura 21).
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Fig. 21.- Pieza puente de una matriz de extrusión de aluminio. Material Din 1.2344 a 54
HRc. Tiempo total de mecanizado: 2,5 horas.
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Las ventajas de producción y mecanizado de alta velocidad
son claras para este sector.
El problema más importante de estas matrices es el plazo de
entrega. Estos se están intentando reducir por debajo de ¡ una semana ¡.
Tradicionalmente el desbaste se produce con el material todavía blando, se
templa, y después se acaba en el centro de mecanizado o electroerosión. Así
muchas de estas empresas
productoras incorporan el tratamiento térmico en sus instalaciones para reducir
tiempo.
Aún y esto el
tiempo para endurecer una de estas matrices no es nunca menor de 24 horas, que
supone el 20% del tiempo total de producción de la matriz.
El mecanizado de alta velocidad está comenzando a
revolucionar este sector. Las empresas líderes han adoptado ya esta nueva
tecnología simplificando el proceso de mecanizado integrado al centro de
mecanizado desde el bloque ya templado, ahorrando cambios de máquina,
operadores, tiempo y costes.
En muy poco tiempo la substitución de electroerosión de
penetración será casi del 100% en este sector.
El proceso total entonces se simplifica en mecanizado al
centro de mecanizado de alta velocidad y electroerosión de hilo para formar el
calibración del perfil.
CENTRO DE MECANIZADO PARA MOLDES Y MATRICES DE PRECISIÓNPara esta aplicación
hemos escogido el centro de mecanizado Makino V33 de fabricación japonesa. A
continuación se presenta la imgn y características fundamentales de la máquina
(figura 22 y tabla 23,
respectivamente).
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Recorrido de los ejes |
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| XxYxZ |
600x400x350 mm |
| Distancia entre cabezal y mesa |
150 - 500 mm |
| Mesa |
|
| Dimensión |
750 x 400 mm |
| Dimensión máxima de pieza |
600x400x250 mm |
| Carga máxima |
300 Kg |
| Cabezal |
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| Velocidad máxima |
20.000 min-1 |
| Tipo de interfase |
HSK-A63 |
| Fig. 22.- Aspecto del centro
de Makino modelo V23 |
Tabla 3.- Características del centro de mecanizado Makino V23
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Se trata de un
centro de mecanizado de alta velocidad diseñado para fabricar piezas de ultra
precisión con unos acabados superficiales excelentes. Es por lo tanto adecuado
para moldistas de inyección de plásticos de piezas pequeñas (moldes
multicavidad).
Veremos a
continuación las soluciones técnicas que se han desarrollado para este modelo
y cómo se han conseguido estas características.
Estructura
La estructura de la
máquina se ha diseñado para mejorar la precisión estática y dinámica de los
centros convencionales. Se utilizan guías hidrodinámicas muy amplias para
aumentar el amortiguamiento de las vibraciones y mejorar así los acabados
superficiales (figuras 23 y 24).
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| Fig. 23.- Estructura de la máquina
Makino V23
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Fig. 24.- Esquema de la estructura de la máquina
Makino V23
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| Fig. 25.- Amplias guías hidrodinámicas mejorar los acabados
superficiales |
Se aumentan las
rigideces de los carros de los ejes X y Z con
distancias entre guías muy amplias y alargando las guías del eje Z evitando
voladizos, Así se mantiene la rigidez del sistema en cualquier posición de los
ejes.
Los husillos de
bolas son también extra- rígidos. El diámetro de 45 mm y el paso de 8 mm le
conforman una respuesta muy elevada a las necesidades de aceleración para la
realización de trayectorias complejas de 3D.
CNC y
sistemas de accionamiento
Los sistemas de
medida de los accionamientos incorporan encoders y reglas.
Los encoders
realizan el cierre del lazo de velocidad. Estos tienen resolución de 1 millón
de pulsos por vuelta.
El CNC de esta máquina
utiliza la tecnología básica del FANUC 16iM pero el control de los ejes está
programado por el fabricante de la máquina adaptándolo así a los algoritmos
las ecuaciones de respuesta de la mecánica de la máquina.
La cadena cinemática
de los ejes, los nuevos sistemas de medida de alta resolución y los algoritmos
de control numérico adaptado a la mecánica de los ejes nos permiten obtener
precisiones y acabados superficiales excepcionales.
La precisión se
comprueba mecanizando un circulo de Ø40 mm en aluminio a 8000 mm/min de avance.
Los resultados se presentan en la figura 26.
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| Fig. 26.- La prueba es
mostrar un error de circularidad máxima de 1.3 μm, en un avance de 8.000
mm/min. |
Con este nuevo
sistema de lectura de la posición se pueden controlar las 0,1 μm.
Esto mejora mucho
el acabado superficial de las piezas.
En las figuras 27 y 28 se muestran, al microscopio, las diferencias entre un acabado con el lazo
de posición estándar de 1 μm y otro con el lazo de posición de 0,1
μm. En la 27 se
muestra el acabado con feedback de 0,001 mm y en la 28 el de feedback de
0,0001 mm.
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| Fig. 27.- Acabado con feedback de 0,001 mm |
Fig. 28.- Acabado con feedback de 0,0001 mm |
Cabezal
El cabezal de la máquina
es uno de los elementos más especiales en esta máquina.
Para conseguir
hacer piezas de ultra precisión se necesita que también el cabezal mantenga
precisiones por debajo de 0.002 mm.
El control térmico de este ha de ser, por tanto muy apurado. Su sistema de
refrigeración se muestra en la figura 29.
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| Fig. 29.- Sistema de refrigeración del cabezal |
Se trata de un
cabezal integrado con un motor de doble bobinado para conseguir parejas
respetables a bajas revoluciones. Las revoluciones máximas son 20.000 rpm.
Como se ha
explicado en el capitulo 8, la dicotomía entre potencia y velocidad de cabezal
se produce fundamentalmente por la imposibilidad con sistemas normales de
refrigeración, de montar rodamientos rígidos (tamaño grande) en un cabezal de
altas revoluciones y con una vida estimada muy aceptable.
El cabezal de este
centro de mecanizado presenta dos características que permiten sobrepasar los
valores establecidos en el capitulo 8.
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Refrigeración directa del
rotor. El cabezal (como se ve en la
figura 28) se refrigera primero dentro del rotor, después enfría el exterior
de los rodamientos frontales y por último los devaneos del estator del motor.
Esta refrigeración es muy eficiente porque evacua
el calor directamente del lugar donde
se concentra el mayor número de focos: el estator. A demás esta refrigeración
se controla para actuar con más intensidad cuando aumenta la velocidad del
cabezal, Así, a más velocidad, el
rotor del cabezal es más frío que la parte fija y por lo tanto se aligera la
precarga de los rodamientos.
Esto nos permite precargar los
rodamientos a bajas revoluciones, obteniendo así un cabezal capaz de una
rigidez axial y radial muy alta en las revoluciones donde se hacen los
desbastes. Y en cambio a otras revoluciones cuando los esfuerzos de corte son mínimos
liberar las precargas.
-
Lubricación directa de la
jaula interna de los rodamientos. El mismo aceite que se utiliza para la refrigeración del interior del
rotor, lubrica directamente la jaula interior de los rodamientos frontales,
mediante unos agujeros que se practican antes del montaje.
Esta lubricación nos
permite cifras DN 5 veces superior a los obtenidos con refrigeración aire- aceite. Tenemos por tanto
más juego con el tamaño del rodamiento (en la máquina se montan rodamientos de Ø interior = 65 mm), y la vida
efectiva de los mismos se alarga (20.000 horas mínimo).
Este cabezal supera
en todos los aspectos a los cabezales de máquinas similares. Los acabados
superficiales que se obtienen con la máquina son también muy superiores (hasta Ra = 0.03 μm, o sea el espejo).
La figura 30 muestra los gráficos de potencia y par respecto a la
velocidad del cabezal.
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| Fig. 30.- Gráficos de potencia y par respecto a la
velocidad del cabezal. |
Sistemas
auxiliares
Esta máquina esta
especialmente diseñada para El mecanizado de piezas de ultra precisión y
acabados superficiales excelentes para moldes.
Estas piezas son
normalmente pequeñas y por tanto la cantidad de material a mecanizar es
insignificante. Por eso la máquina no incorpora, al menos de serie, ningún
extractor de virutas.
Estas se pueden
extraer con la mano mientras la máquina esta en funcionamiento con el
inteligente sistema descrito en la figura 31.
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| Fig. 31.- Extracción de
virutas mediante un cajón que se puede vaciar mientras la máquina se encuentra
en funcionamiento.
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Control térmico y evacuación del calor
Para obtener precisiones inferiores a los 0,002 mm son necesarios controes
térmicos estrictos que impidan la aportación de calor a la estructura.
Los motores de los ejes tienen ventilación forzada para extraer el calor
generado en sus devanados y rodamientos
Las uniones motor-estructura y el cabezal de la máquina se refrigeran y
mantienen a +-0,5oC de la temperatura de la estructura. Esta
temperatura es controlada por sensores térmicos que hacen de input al
sistema de realimentación del refrigerador
La emulsión refrigerante también refrigera a +-0,5oC de la
temperatura de la estructura
Las fuentes de calor, tales como el armario eléctrico, se mantienen siempre
con una barrera térmica para no aportar calor a la estructura (figura 32).
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| Fig. 32.- Barrera térmica entre armario eléctrico y estructura |
