¿Tienes la necesidad de velocidad?

La integración del fresado de alta velocidad (HSM) en su taller es una forma eficiente y rentable de aumentar la productividad de los talleres mecánicos de todos los tamaños.

Incluso los fabricantes especializados, como los que utilizan HSM para fabricar electrodos EDM o los que realizan el acabado de troqueles y moldes, han descubierto que este método de mecanizado reduce los costes de producción, mejora la calidad y reduce el tiempo de producción.

Inicialmente, HSM se utilizó principalmente en la industria de troqueles y moldes, pero se ha vuelto mucho más utilizado en otras industrias, como la aeroespacial, automotriz, micromaquinado y componentes de precisión y maquinado general.

Para integrar mejor HSM, puede ser útil comprender completamente qué es y cómo funciona.

HSM es un proceso de corte de metal que enfatiza las altas velocidades y avances para aumentar la productividad y mejorar la calidad de la superficie. HSM marca en un husillo RPM más alto, utiliza herramientas más pequeñas y realiza cortes menos profundos que las operaciones de fresado tradicionales. HSM generalmente se asocia con cualquier velocidad de husillo superior a 15,000 RPM, pero es mucho más que un husillo más rápido.

Los cambios en los diseños de las guías y las capacidades mejoradas de procesamiento del controlador juegan un papel clave en la capacidad de una máquina para realizar HSM.

Mientras que las máquinas-herramienta tradicionales suelen utilizar sistemas de caja para mejorar la rigidez, muchas máquinas-herramienta de alta velocidad utilizan guías lineales.

Los sistemas de guías lineales reducen la fricción y, en general, son más precisos y, al mismo tiempo, aceptan cargas más livianas.

Los controladores con tecnología anticipada avanzada también reducen los tiempos de ciclo. Look-ahead simplemente hace lo que implica, anticipando los datos y manteniendo la velocidad de avance más alta posible sin comprometer la precisión de la pieza. Es como si un operador estuviera ajustando constantemente un dial de anulación de avance miles de veces por segundo para aumentar el avance, cuando sea posible, y disminuirlo cuando sea necesario para mantener la precisión.

Según los estándares anteriores, la mayoría de los centros de mecanizado nuevos ahora se considerarían una máquina de alta velocidad.

Los avances tecnológicos han llevado las velocidades del husillo a más de 100 000 RPM. Para acompañar a los husillos de mayor velocidad, las capacidades de anticipación de los sistemas de control modernos continúan aumentando el potencial de los centros de mecanizado de alta velocidad. Incluso con husillos de mayor velocidad, algunas máquinas todavía usan cajas u otros sistemas de guías más convencionales que las hacen más adecuadas para el mecanizado pesado que para el fresado de alta velocidad.

Los usos más comunes de HSM son:

La principal ventaja de HSM es que permite velocidades de mecanizado mucho más rápidas que el mecanizado convencional. Esto conduce a ahorros significativos de tiempo y costos, especialmente para tiradas de producción a gran escala. HSM también puede producir acabados de mejor calidad que el mecanizado convencional, porque utiliza un DOC más pequeño y pasos más pequeños.

Aunque HSM es más común en el fresado de acabado, la aplicación de estas técnicas a los ciclos de desbaste reduce los tiempos de ciclo y reduce la tensión y el desgaste de las máquinas herramienta. HSM a menudo se utiliza para mecanizar materiales difíciles de mecanizar, como aceros endurecidos, titanio y aleaciones aeroespaciales, y también se puede utilizar para producir acabados de muy alta calidad.

Las altas velocidades de HSM hacen que las herramientas de corte se desgasten más rápidamente y el proceso puede ser más difícil de controlar que el mecanizado convencional. Además, HSM puede ser más costoso de implementar porque requiere herramientas y equipos especializados.

Hacer funcionar las herramientas de corte a altas RPM da como resultado un aumento del calor generado en el corte. Sin embargo, la mayoría de los materiales realmente ven una reducción en el calor en un cierto umbral de velocidad superficial, porque el tiempo que el filo pasa en el material se reduce considerablemente.

Por ejemplo, los metales no ferrosos generalmente experimentan un aumento en la temperatura de corte hasta alrededor de 1000 SFM, después de lo cual las temperaturas comienzan a disminuir. La investigación muestra que las fuerzas de corte también disminuyen, lo cual es una de las razones por las que hay menos calor.

Sin embargo, las altas velocidades aumentan el riesgo de vibración, lo que puede dejar acabados deficientes y acelerar el desgaste de la herramienta. Para combatir esto, se puede utilizar un enfoque científico, como la prueba de toque, en el que se identifica la frecuencia de resonancia de la configuración, que localiza posibles zonas de vibración.

Una forma más sencilla de resolver el problema de la vibración es mediante el uso de soportes amortiguadores de vibraciones, como mandriles hidráulicos o de fresado, en lugar de ajustes por contracción, así como el uso de cortadores de geometría variable que rompen los armónicos del cortador.

HSM también requiere una ruta de herramienta avanzada, lo que significa que necesita un programador altamente calificado y un software sólido. Además, los operadores deberán tener especial cuidado para determinar si el proceso implementado está funcionando correctamente y poder identificar cualquier deficiencia antes de desechar una pieza o dañar las herramientas y la maquinaria.

El costo de implementar HSM puede ser una barrera de entrada. Requiere costosas máquinas herramienta, accesorios y herramientas de corte que funcionen en armonía para crear un proceso avanzado. El equipo no solo es costoso, sino que, a menudo, un maquinista capaz de crear e implementar estos procesos puede tener un costo mayor.

Las máquinas de alta velocidad tienen varias características distinguibles de las máquinas de mecanizado convencionales:

HSM requiere herramientas especiales que puedan soportar las altas velocidades y avances utilizados en el proceso.

Los requisitos de herramientas y sujeción para HSM son más exigentes que los del mecanizado convencional porque las altas velocidades y los avances utilizados en HSM pueden hacer que la pieza de trabajo vibre, lo que puede provocar acabados de calidad inferior y daños en la herramienta.

Las consideraciones clave para las herramientas y la sujeción de piezas para HSM incluyen las propias herramientas de corte, la sujeción de piezas y la sujeción de herramientas.

Las herramientas de corte deben poder soportar las altas velocidades y avances utilizados en HSM. Las herramientas de metal duro integral recubiertas son el tipo de cortador más común utilizado en HSM. Las herramientas de CBN también se pueden usar porque tienen una resistencia al desgaste muy alta y pueden crear mejores acabados ya que no hay riesgo de cambiar las herramientas en medio de una pieza y tener que emparejar superficies.

La sujeción debe sujetar de forma segura la pieza de trabajo en su lugar para evitar que se flexione y vibre.

La tecnología de portaherramientas, como los portapinzas y los portaherramientas hidráulicos, son una buena opción para HSM porque amortiguan las vibraciones. Los soportes deben equilibrarse antes de colocarlos en una máquina para reducir las vibraciones y mejorar la precisión.

Al final del día, el acabado superficial deseado afecta la elección de herramientas y sujeción. Se requieren cortes más ligeros y pasadas más pequeñas para crear el mejor acabado posible, y esto se hace de manera eficiente a altas velocidades del husillo.

El costo de las herramientas y la sujeción también puede ser un factor importante en cualquier decisión de usar HSM. Las herramientas HSM suelen ser más caras que las herramientas de mecanizado convencionales.

Las trayectorias de HSM son las trayectorias que sigue la herramienta de corte a medida que elimina material de la pieza de trabajo. El diseño de la trayectoria tiene un efecto significativo en la calidad del producto terminado y la productividad del proceso de mecanizado.

Se pueden utilizar varias trayectorias diferentes en HSM. Dos comunes son:

1. Trayectorias de participación constante. Estas trayectorias mantienen un ángulo de enganche constante entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo. Este tipo de trayectoria se usa a menudo porque crea superficies suaves que se mezclan a través de diferentes geometrías.

2. Trayectorias de herramientas de fresado de alta eficiencia (HEM). Estas trayectorias están diseñadas para crear un enganche constante del cortador a lo largo del borde de corte periférico de un cortador. El ancho de viruta constante crea fuerzas de corte uniformes y hace que el desgaste de la herramienta y el acabado de la superficie sean predecibles y consistentes.

La elección de la trayectoria para una aplicación en particular depende de varios factores, incluido el tipo de material que se mecaniza, el acabado superficial deseado y los requisitos de productividad.

HSM presenta un desafío cuando se trata de refrigerante, porque el alto calor que se genera puede provocar un choque térmico y un desgaste prematuro de la herramienta.

Existen tres estrategias principales de refrigerante para el mecanizado de alta velocidad: uso de refrigerantes solubles en agua, empleo de MQL y mecanizado en seco.

El uso de refrigerante soluble en agua puede ser complicado. Aunque el refrigerante de inundación es común en muchas operaciones de mecanizado, a menudo se evita cuando se utilizan velocidades de husillo altas. Esto se debe a que los refrigerantes solubles en agua tienen una mayor conductividad térmica, lo que enfría rápidamente la herramienta. Sin embargo, los fabricantes de refrigerantes están constantemente desarrollando nuevas tecnologías que permiten el uso de refrigerantes a base de agua para HSM.

El mecanizado en seco a menudo se usa en el fresado duro porque evita los problemas que surgen del enfriamiento rápido de las herramientas y el choque térmico. Por lo general, se aplica un chorro de aire en la punta del cortador para reducir el calor y, al mismo tiempo, eliminar las virutas del área de corte.

MQL utiliza una cantidad muy pequeña de aceite de corte soplado con aire. MQL se puede utilizar como un buen "término medio" porque proporciona una buena lubricación a la superficie sin provocar un enfriamiento rápido.

La elección de la estrategia de refrigerante depende de la aplicación específica, y los fabricantes de refrigerantes tienen diferentes refrigerantes según el material, el tipo de mecanizado que se realiza y las herramientas de corte que se utilizan.

HSM produce acabados superficiales muy suaves, siempre que los parámetros de mecanizado estén configurados correctamente. Muchos factores afectan el acabado superficial producido por HSM.

La geometría de la herramienta de corte tiene un efecto significativo en el acabado de la superficie. Las geometrías como el ángulo de inclinación, el ángulo de hélice y los ángulos de alivio determinan qué tan limpio se corta el material, dejando un acabado más suave, pero también determinan qué tan rápido se desgasta o incluso se rompe una herramienta al cortar ciertos materiales.

La velocidad de corte es uno de los factores más importantes que afectan el acabado superficial producido por HSM. Las velocidades de corte más altas reducen las fuerzas de corte más allá de un cierto umbral, lo que puede dar como resultado acabados más suaves.

Se debe tener cuidado al elegir una velocidad de avance, porque la carga de viruta (avance por diente) afecta directamente el acabado de la superficie. Un mayor avance por diente produce una superficie más áspera, pero si una herramienta avanza demasiado lentamente, se puede producir un bruñido que deje un acabado no deseado y provoque un desgaste prematuro de la herramienta.

Como se mencionó, el uso de refrigerante también afecta el acabado superficial producido por HSM. El refrigerante ayuda a reducir el calor y la vibración, los cuales ayudan a mejorar el acabado.

Carl O'Brien es gerente de ventas canadiense de MC Machinery Systems Canada, 50 Vogell Rd., Unit #1, Richmond Hill, Ontario. L4B 3K6, 905-737-1265, www.mcmachinery.com.