Es bien sabido que la tendencia principal en los centros de mecanizado CNC utilizados en talleres durante la última década ha sido la de ser más rápidos, más inteligentes y con husillos más ligeros y que consumen menos energía. Y los crecientes costes de la energía están acelerando este proceso. Esta tendencia es completamente contraria al uso de máquinas herramienta potentes que pueden lograr cortes profundos en una sola pasada. El mecanizado de alta velocidad (HSM) también significa necesariamente mecanizado de baja potencia (LPH), que requiere diferentes herramientas de corte y una comprensión diferente de las herramientas de mecanizado.
En respuesta a la tendencia hacia el mecanizado de alta velocidad y bajo consumo de energía, muchos proveedores de herramientas líderes están desarrollando líneas de herramientas especiales para el mecanizado de alta velocidad o añadiendo marcas de velocidad nominal del husillo a sus productos de herramientas. Algunos proveedores de herramientas son incluso más avanzados. La razón de esto es que, aunque la situación actual del mecanizado de alta velocidad o la velocidad nominal del husillo es buena y necesaria para la seguridad de los husillos de alta velocidad, no se ha desarrollado por completo. El mecanizado de alta velocidad o la velocidad nominal en sí solo significa que la broca o la herramienta están bien equilibradas cuando realmente funcionan a una velocidad de 12.000 rpm o 40.000 rpm y el inserto está firmemente instalado en la herramienta. Sin embargo, esto no indica la eficiencia de mecanizado de la herramienta, que es el factor clave para ahorrar energía y proteger la estructura de las máquinas herramienta ligeras.
Por supuesto, es necesario hacer hincapié en el mecanizado de alta velocidad o velocidad nominal, pero la visión también debe mirar más allá. Descubrirá que existen enormes diferencias en la eficiencia de mecanizado y la eficiencia energética entre las distintas fresas y brocas que se utilizan actualmente para el mecanizado de alta velocidad. Estas diferencias son particularmente importantes para el desbaste, el fresado de una sola pasada y el mecanizado de agujeros de gran diámetro.
Características y limitaciones de los centros de mecanizado CNC de alta velocidad
Primero, diseccionemos un centro de mecanizado CNC de alta velocidad típico para ver en qué se diferencia de las máquinas herramienta tradicionales. Por supuesto, es rápido, con una velocidad nominal del husillo de hasta 40 000 r/min y puede alcanzar velocidades de avance extremadamente altas. También es muy inteligente y su sistema de control generalmente puede lograr procesamiento de interpolación, optimización de la trayectoria de la herramienta y procesamiento de enlace de 3 a 6 ejes.
Sin embargo, también tiene desventajas. En primer lugar, la potencia nominal del motor del husillo puede ser de solo 20 caballos de fuerza (25 kW) o menos. En segundo lugar, la estructura de la máquina herramienta es muy ligera, por lo que es más propensa a la deflexión y la vibración (esto a menudo se pasa por alto). De hecho, normalmente es la rigidez estructural más que la potencia del husillo lo que limita la mejora de la tasa de eliminación de material. No solo el motor del husillo, sino la máquina herramienta en su conjunto está diseñada para cortes rápidos de múltiples pasadas con carga ligera (en lugar de cortes profundos de pocas pasadas).
Nuevas ideas sobre el diseño de herramientas para el mecanizado de alta velocidad
Desde la perspectiva de las herramientas de corte, la clave para un mecanizado eficiente y de bajo coste es calentar instantáneamente la zona de corte para ablandar el metal que se está cortando y transferir el calor a las virutas de modo que el calor salga de la zona de corte junto con las virutas. Obviamente, cuanto más blando sea el metal, menos energía se necesita para eliminarlo. Esta es una forma de pensar completamente diferente en comparación con el pasado, cuando se utilizaban todos los métodos posibles para reducir la temperatura de mecanizado, lo que requiere que adoptemos un enfoque diferente en la etapa de diseño de la herramienta y que el usuario lo haga en la etapa de selección de la herramienta.
Características críticas de los sustratos, recubrimientos y geometría de las herramientas
El calor de corte puede seguir siendo el enemigo de las plaquitas, pero se puede convertir en un factor positivo en el punto de corte de la pieza de trabajo y en la viruta. Las fresas de alta velocidad actuales están diseñadas para ofrecer un mejor rendimiento y, en combinación con husillos de alta velocidad (y sus altas velocidades de corte de la superficie), pueden provocar un ablandamiento plástico del metal en el punto de corte. Si se puede encontrar una herramienta de este tipo, puede utilizar el calor generado por la deformación de la viruta para ablandar el metal que se está cortando. Ponerlo en un estado en el que sea más fácil de cortar puede lograr un corte más rápido y con mayor eficiencia energética, al tiempo que se extiende la vida útil de la herramienta y la máquina.
Las plaquitas desarrolladas para el mecanizado de baja potencia deben tener otras dos características importantes: en primer lugar, el sustrato y el recubrimiento deben poder soportar altas temperaturas e impactos. En segundo lugar, la geometría del filo de corte debe estar diseñada para lograr un corte totalmente libre (corte a alta velocidad, sin soporte). El sustrato y el recubrimiento deben soportar el entorno de alta temperatura asociado con los cambios plásticos en el material en la zona de corte. También deben soportar los impactos frecuentes de golpear repetidamente la pieza de trabajo a altas velocidades de superficie, y estas fuerzas de impacto aumentan proporcionalmente con el aumento de la velocidad del husillo.
En cuanto a la geometría de la cara de ataque de las herramientas de fresado de baja potencia, las plaquitas deben tener al menos un ángulo de ataque positivo doble, que es positivo tanto en dirección radial como axial. Esto garantiza un corte de penetración suave en ambas direcciones, lo que genera menos fuerza de corte y consume menos energía que el efecto de raspado producido por una herramienta con un ángulo de ataque de 0° más desafilado. Sin embargo, no todas las plaquitas tienen un ángulo de ataque positivo doble, por lo que debe tener cuidado al seleccionarlas.
Ventajas y sugerencias de selección de herramientas de corte en espiral
Busque también fresas de extremo (de las que hay pocas) con filos de corte helicoidales que reducen significativamente los requisitos de potencia y las fuerzas de impacto, y cuyos filos de corte curvos facilitan que la hoja corte la pieza de trabajo. A nivel microscópico, es más como el mecanizado de chapa metálica con una hoja en ángulo que corta una porción de material a la vez, en lugar de perforar una chapa metálica entera de una sola vez. El uso de un ángulo de hélice de 20° a 45° para la fresa también puede reducir el impacto de la herramienta al cortar y suprimir la generación de rebabas al cortar.
Comparación de fresas de punta redonda y fresas de punta esférica
En el procesamiento de moldes, el fresado con fresas de punta esférica desperdicia mucha energía porque solo una pequeña parte de la superficie de corte (el área alrededor de la línea media) está involucrada en el corte a la velocidad y eficiencia óptimas de la superficie. Una mejor opción es usar una fresa de punta redonda. molino de extremo con dientes más rectos.
El radio de paso de la herramienta y la velocidad de corte de la superficie relacionada son bastante consistentes en toda la superficie de corte. En ambos extremos de la superficie de corte, la velocidad de la superficie no se acerca a cero porque debe estar cerca de la punta de la fresa de punta esférica. En segundo lugar, en el corte en línea recta, se puede utilizar un radio de raspado grande para aprovechar el efecto de adelgazamiento de viruta para lograr una eliminación más rápida del material. El gran radio de la punta combinado con la conicidad inversa facilita la limpieza de las esquinas y minimiza las fuerzas de corte. Todas las superficies de corte utilizan grandes ángulos de inclinación positivos para reducir las fuerzas de corte y el consumo de energía.
Corte en seco de alta velocidad y optimización de parámetros de herramientas
Una vez que se selecciona la fresa de extremo correcta, es importante aprovecharla al máximo. La regla para cortar la mayoría de los aceros es: corte rápido, corte en caliente, corte en seco. Aumentar la velocidad del husillo y la velocidad de avance puede hacer que el material se plastifique y también mejorar la productividad. Utilice los parámetros de corte (avance y velocidad de corte) recomendados por el fabricante de la herramienta solo como punto de partida y mejórelos. El punto más importante es no utilizar refrigerante. Además de proteger la herramienta de fresa de extremo del choque térmico, la herramienta de fresado también debe generar el calor necesario para ablandar el material de la pieza de trabajo. Es posible que no se necesite fluido de corte durante el mecanizado para eliminar las virutas, y el mecanizado de alta velocidad con herramientas de inclinación positiva puede evacuar bien las virutas. Agregar un chorro con función de deshumidificación ayudará.
A continuación se presentan algunas pautas, algunas de las cuales se pueden aplicar a las operaciones de fresado de desbaste en general, pero todas son importantes para el fresado de baja potencia.
- Utilice fresado descendente cuando sea posible, lo que permite que el filo corte la pieza de trabajo con más suavidad, protege la estructura más liviana de la máquina herramienta y prolonga la vida útil de la herramienta.
- El estudio del color de las virutas puede revelar pistas sobre la eficiencia del corte. Al fresar acero, no se preocupe por las virutas de color azul oscuro, ya que indican un buen fresado y ablandamiento del material, y que el calor del corte se está disipando por las virutas de la manera correcta. Al fresar acero inoxidable, las virutas de color amarillo pajizo claro también son una señal de un buen fresado.
- Los hombros estrechos son más eficientes energéticamente que los hombros anchos, y el ancho de contacto de cada corte no debe exceder los 75% de la herramienta. Por la misma razón, no use más de dos insertos en el corte al mismo tiempo, de lo contrario solo creará más fricción y consumirá más energía, lo que no vale la pena el esfuerzo. Si se producen vibraciones durante el procesamiento, puede cambiar los parámetros de geometría de la herramienta (como el ángulo de inclinación, el ángulo de ajuste o el ángulo de avance), aumentar la carga de viruta y/o reducir (no aumentar) el ángulo de inclinación de la plaquita.
Una alternativa de bajo consumo para taladrar agujeros: fresado en espiral
El taladrado se considera a menudo el proceso que consume más energía por unidad de material extraído. Incluso con las brocas helicoidales modernas, solo se corta una pequeña parte de la superficie de corte a la velocidad superficial ideal. Incluso en las mejores condiciones de mecanizado, la fricción entre las virutas y los huecos de las mismas consume energía de corte. Además, la bomba que suministra el fluido de corte a la superficie de corte consume energía. Cuanto más grande y profundo sea el agujero que se mecaniza, mayor es el consumo de energía.
Para agujeros grandes de más de 25,4 mm de diámetro, una mejor alternativa es el fresado en espiral. Por supuesto, esto requiere un control de interpolación en la máquina herramienta. Este método de corte en seco y que ahorra energía tiene un buen efecto en comparación con los procesos de mecanizado tradicionales que consumen mucha energía y que se realizan en húmedo. Los agujeros de gran diámetro producidos con fresas de un solo diente o de varios dientes requieren menos potencia de la máquina y rigidez del sistema que cualquier taladro.
Los usuarios de la tecnología de fresado en espiral han informado de que los tiempos de ciclo para los orificios de los pasadores se han reducido en 3/4 y que el consumo de energía de fresado es de tan solo 40%. La mayoría de las máquinas CNC modernas no podrían proporcionar la potencia necesaria para producir orificios de diámetro tan grande con brocas planas. Por este motivo, muchos fabricantes de moldes han tenido que trasladar las herramientas a una máquina perforadora con plantilla o a un taladro de columna de alta resistencia solo para mecanizar los orificios de los pasadores. Con el fresado en espiral, pueden mecanizar todos los orificios de los pasadores con una sola sujeción en una fresadora de baja potencia utilizada para el mecanizado de cavidades. Lo crea o no, el fresado en espiral permite mecanizar orificios grandes directamente en las piezas de trabajo sin taladrar previamente, sin perder mucho tiempo y energía en el creciente número de operaciones de taladrado de orificios grandes.
Al utilizar el fresado en espiral para mecanizar agujeros de distintas profundidades o agujeros ciegos, preste atención a la eliminación de virutas. La geometría de la fresa puede generar virutas finas, pero la eliminación de virutas no tiene por qué realizarse necesariamente con la propia herramienta. En el fresado vertical y en algunas operaciones de fresado horizontal, puede ser necesario soplar virutas con aire.
Aplicación de brocas de corona reemplazables en el mecanizado de orificios grandes
Las brocas de corona reemplazables también se pueden utilizar para el mecanizado de agujeros grandes y requieren menos potencia que las brocas estriadas. Debido a su geometría única, las coronas son muy eficientes en el corte y el diámetro de la varilla de perforación es menor que el diámetro de la corona, lo que facilita la eliminación de virutas y reduce la fricción. Además, la resistente varilla de perforación de acero de aleación puede soportar la vibración y la deformación de la herramienta común en las máquinas herramienta ligeras, mientras que las brocas de carburo sólido se dañan fácilmente por la vibración y la deformación.
Las brocas de corona reemplazables se utilizan principalmente en producciones a gran escala para evitar el reajuste de las máquinas herramienta y grandes existencias de diversas brocas de carburo sólido. Debido a su geometría de filo de corte más eficiente y a su varilla de perforación más resistente, aumentan el valor añadido de las operaciones de perforación de baja potencia.
Para mejorar la eficiencia del mecanizado de alta velocidad y baja potencia, al seleccionar herramientas de fresado y taladrado, preste atención no solo al mecanizado de alta velocidad (velocidad del husillo), sino también a hacer que las herramientas sean adecuadas para el procesamiento real. Además de la seguridad del mecanizado de alta velocidad, hay más ganancias. Al fresar, elija una geometría de herramienta con "corte libre completo" (fresa de ángulo de inclinación positivo doble con filo de corte en espiral) y utilice herramientas con buena dureza térmica. Al taladrar, considere el fresado en espiral para mecanizar agujeros grandes. Para taladrar en general, pruebe una broca de corona reemplazable con una varilla de perforación de acero de aleación de alta tenacidad para evitar la rotura de las brocas de carburo sólido en condiciones de instalación inestables. Las brocas de corona reemplazables pueden aumentar las tasas de eliminación de metal y proteger las máquinas herramienta y las herramientas ligeras al tiempo que ahorran energía de procesamiento.