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Estudio de la factibilidad de aplicación del mecanizado de alta velocidad en un taller

Resumen: En este trabajo se recopila y procesa información sobre el Mecanizado de Alta Velocidad (MAV) para destacar los requisitos que caracterizan esa tecnología de fabricación. Se hace un estudio de las posibilidades de un taller de mecanizado para aplicar el MAV, y se concluye que ese taller reúne el mínimo de los requisitos necesarios para aplicarla.

Publicación enviada por Dr. Sergio Padrón Soroa y Ing. Saúl M. Rodríguez Pérez




 




ÍNDICE

- Resumen 
-  Introducción 
- II El mecanizado de alta velocidad 
- III Posibilidades del taller de fabricación de moldes y troqueles para aplicar el MAV
- IV Nueva estrategia de mecanizado aplicando el MAV 
- V Conclusiones 
- Bibliografía 
- Datos de autores 

RESUMEN
En este trabajo se recopila y procesa información sobre el Mecanizado de Alta Velocidad (MAV) para destacar los requisitos que caracterizan esa tecnología de fabricación. Se hace un estudio de las posibilidades de un taller de mecanizado para aplicar el MAV, y se concluye que ese taller reúne el mínimo de los requisitos necesarios para aplicarla. Para hacer más evidente esa conclusión, se propone una estrategia de fabricación de una pieza utilizando el MAV y se comparan los resultados de tiempo y costos con la fabricación de esta por la tecnología tradicional, con lo que se resalta un aumento de productividad importante. Se reducen los costos en alrededor del 38%. Si se reduce el análisis solo a las operaciones con MAV, se reporta una disminución del 79% del tiempo de mecanizado.

Palabras clave: Mecanizado de Alta Velocidad, High Speed Machining, HSM.

I.-INTRODUCCIÓN
En un taller de fabricación de moldes y troqueles se preguntaban si reunían las condiciones para aplicar el MAV, ya que el hacerlo pudiera traer grandes ventajas en el aumento de la productividad y la reducción de los costos. Por tal razón, para este trabajo se planteó como objetivo general el siguiente:

Establecer si es factible aplicar, total o parcialmente, la tecnología del Mecanizado de Alta Velocidad en dicho taller, mediante un estudio de los requisitos que son necesarios, la indagación sobre cuáles de estos se cumplen allí, y la propuesta de una estrategia de mecanizado para una pieza utilizando el MAV.

Se parte de la siguiente hipótesis:
Es posible aplicar el Mecanizado de Alta Velocidad en el taller de fabricación de moldes y troqueles, con ventajas en lo productivo y económico, aunque con limitaciones que deben ser superadas para su utilización total.

Los aportes fundamentales de este trabajo son:
- Un estudio detallado de la técnica del Mecanizado de Alta Velocidad. Se elaboró una biblioteca sobre este tema utilizando el gestor bibliográfico EndNote, parte de la cual aparece en la bibliografía de este trabajo. Se elaboró un resumen de toda esa información en un documento de 24 páginas.
- Una caracterización del área de máquinas CNC del taller de fabricación de moldes y troqueles, que establece en qué medida se puede aplicar el Mecanizado de Alta Velocidad allí. El documento contentivo de esta caracterización abarca 18 páginas.
- Una propuesta de estrategia de mecanizado de una pieza aplicando en lo posible el MAV, lo que representa una disminución del 79% del tiempo de mecanizado en las operaciones en que se puede aplicar el MAV.

II. El Mecanizado de Alta Velocidad

No se llama así simplemente a un mecanizado con un alto número de rpm del husillo, sino que este concepto involucra además varias condiciones que deben cumplirse, tales como:
- Alta velocidad de corte.
- Grandes avances.
- Pequeñas profundidades y anchos de corte.
- Herramientas de corte especialmente diseñadas y fabricadas para estos datos de corte.
- Máquinas herramienta con cortos tiempos de aceleración-desaceleración del husillo, breves tiempos de cambios de herramientas, estabilidad térmica, amortiguación de vibraciones, etc.
- Recorridos de herramientas y estrategias de mecanizado generadas por sistemas CAM.
- Controles CNC que deben poseer la función look ahead, una determinada velocidad de Tiempo de ciclo (100ms), una determinada velocidad de procesamiento de bloques (1 ms), limitación del jerk (control de aceleraciones), una alta capacidad de almacenamiento (Ethernet)
- Utilización del MQL, o Minimum Quantity Lubricant
- Empleo de conos portaherramientas adecuados para la alta velocidad.

III. Posibilidades del taller de fabricación de moldes y troqueles para aplicar el MAV
El estudio de las características del taller para determinar sus posibilidades de aplicar el MAV se resume en las siguientes fortalezas y debilidades:

Fortalezas:
1. Se dispone de herramientas de corte con las características necesarias.
2. Se dispone de mangos básicos para sujeción de herramientas para el MAV.
3. Se cuenta con adaptador antivibratorio para fresas. 
4. Se cuenta con un centro de mecanizado y una fresadora que como máquinas herramienta reúnen los requisitos.
5. Los controles de estas dos máquinas son adecuados para el MAV.
6. El centro de mecanizado vertical dispone del sistema de refrigeración MQL.
7. Están disponibles sistemas CAM que reúnen los requisitos.
8. Se dispone de un mínimo de recursos humanos capacitados para aplicar el MAV.

Debilidades:
1. Aunque se poseen otras máquinas CNC, solo las mencionadas y sus controles reúnen los requisitos.
2. No se dispone de mangos básicos HSK, ni de tipo hidráulico, ni térmico para sujetar herramientas.
3. No es suficiente la variedad de herramientas de corte de que se dispone.
4. La fresadora K600 no cuenta con el sistema de refrigeración MQL.
5. Ninguna de las máquinas tiene sistema de refrigeración interior de la herramienta.
6. Los recursos humanos disponibles son insuficientes en cantidad.
Como conclusión, se puede afirmar que el mecanizado de alta velocidad es aplicable en el taller con ciertas limitaciones.

IV. Nueva estrategia de mecanizado aplicando el MAV
En este trabajo se propone una estrategia para el mecanizado de una pieza utilizando el MAV en este taller. Se trata de una pieza que ya fue fabricada anteriormente, incluso empleando algunas operaciones en máquinas CNC. La pieza se conoce como Inserto de Maza (fig. 2), que es un elemento intercambiable de un laminador que se emplea para plisar (perfilar) láminas de acero que son partes de las calderas de las centrales termoeléctricas. 

El proceso de plisado empleado se realiza mediante dos mazas que rotan como si estuvieran engranadas. Entre estas la lámina penetra y es deformada por un proceso de deformación progresiva, generada por el movimiento relativo entre las mazas y la presión que ejercen estas sobre la lámina de metal (fig 1). 



Fig 1.- Mazas engranadas para el proceso de plisado.

      

Fig 2 .- Inserto de maza (a la izquierda) y la lámina perfilada.

La metodología de mecanizado del MAV es solo aplicable en máquinas CNC, por lo que en la propuesta de nueva estrategia de mecanizado para esta pieza solo se modifican las operaciones que se realizan en dichas máquinas, y quedan sin cambio las operaciones que se hacen en máquinas convencionales. Por lo tanto, los cuatro primeros procesos, los cuales son el corte del material en bruto en la segueta mecánica PR30, el escuadrado en la fresadora convencional FA3V, el ajuste en el banco de trabajo para eliminar los filos cortantes y el rectificado de las caras de la pieza en la rectificadora A02, se mantienen igual a como se fabricó anteriormente la pieza, por lo que mantienen el tiempo total de cada una de estas operaciones.

Posterior a estas operaciones se mecaniza el escalón inferior de los insertos, lo que se propone hacer en la fresadora vertical CNC Kondia K–600.

Para la propuesta de fabricación de los insertos de maza, en las operaciones que corresponden al mecanizado con CNC, se utilizó el sistema MasterCAM. 

Para el mecanizado de los escalones inferiores del Inserto en la Kondia se optimizaron los regímenes de corte, pero no se puede hablar de un MAV. En la figura 3 se muestra una representación del recorrido de la herramienta y de cómo queda la pieza después de realizar la operación.



Fig 3 .- Representación del recorrido de la herramienta y de cómo queda la pieza.

A continuación se ejecuta el taladrado de los 5 orificios que presenta el inserto, lo que se hace en la taladradora de coordenadas 2A450. Esta operación, al igual que las cuatro primeras, se realiza tal y como fue concebida en la estrategia de mecanizado original que fue utilizada anteriormente en el taller. 

La operación que le sigue a continuación es la de mayor peso en la fabricación de los insertos. La máquina que se va a utilizar para esta operación es el centro de mecanizado vertical. El primer paso en esta máquina es de Desbaste de Superficie por Copiado. Se utiliza una herramienta enteriza CoroMill Plura con un recubrimiento de TiAlN, con diámetro de 16 mm y con 4 filos cortantes (fig. 4) 


Fig 4 .- Herramientas CoroMILL Plura. [39, 40].

Los parámetros de corte calculados son los siguientes:
- Velocidad del husillo (n)       : 3 383 rpm
- Velocidad de Corte (Vc)       : 170 m/min
- Velocidad del Avance (Vf)    : 1 218 mm/min 
- Profundidad de Corte (ap)    : 2 mm
- Ancho de Corte (ae)           : 1 mm

El propósito de esta operación es eliminar la mayor cantidad de material posible con una fresa plana con un diámetro adecuado, dejando en todo momento una sobremedida de 1 mm para un posterior acabado. Una vez introducidos los datos, MasterCAM genera el recorrido de la herramienta. En la figura 5 aparecen el recorrido de la herramienta y una vista de cómo queda el inserto después de ejecutada esta operación.



Fig 5.-- Simulación del desbaste de copiado de la pieza.

A continuación se mecaniza la ranura radial, en la que la herramienta del mecanizado anterior no pudo entrar por ser muy estrecha esa ranura. Los datos de corte calculados resultaron: 
- Velocidad del Husillo (n)       : 9 023 rpm
- Velocidad de Corte (Vc)       : 170 m/min
- Velocidad del Avance (Vf)    : 541.4 mm/min
- Profundidad de Corte (ap)    : 2 mm
- Ancho de Corte (ae)            : 0.5 mm

En la figura 6 que indica el recorrido de la herramienta y cómo debe quedar terminado este paso de fresado.


Fig 6.- Simulación del desbaste de copiado de la pieza con fresa de Ø 6 mm.

La última operación en el mecanizado del Inserto de Maza, antes del temple, es un “Acabado Superficial por Copiado”. El fin de este paso es eliminar las marcas o pequeños escalones dejados en cada pasada, debido a que posteriormente a esta pieza se le dará un tratamiento térmico y estos filos o esquinas se hacen muy difíciles de mecanizar. En esta operación se utiliza una fresa esférica para acabados de plaquitas intercambiables de diámetro 8 mm (fig. 7). 



Fig 7.- Herramienta de punta esférica para acabados. [39, 40].

El cálculo de las rpm a que debe girar esta fresa en esta operación resultó ser 35 110 rpm, pero el husillo del centro de mecanizado, donde se fabricará la pieza, puede como máximo rotar a 14 000 rpm. Entonces fue necesario adecuar el régimen a estas condiciones:
n        = 14 000 rpm
Vf      = 3 640 mm/min
Vc     = 99 m/min

En la figura 8 se muestra el recorrido de la herramienta y la terminación de esta operación de fresado de la pieza.


Fig 8 .- Simulación del Acabado de copiado de la pieza con fresa de punta esférica para acabados de Ø 8 mm.

La fabricación continúa con el fresado convencional de las caras inclinadas 12° con respecto a la vertical, el temple hasta 60 a 62 HRc, y el rectificado de los escalones inferiores de la pieza. 

El acabado del perfil de la parte superior se realiza en el centro de mecanizado, donde se debe eliminar el milímetro de sobremedida dejado para compensar las posibles deformaciones como resultado del tratamiento térmico. La herramienta tiene las mismas características de aquella con la que se hace el acabado antes del temple. Se realizan 5 pasadas con un avance y una profundidad de corte de 0.2 mm. La velocidad de corte recalculada es de 91.9 m/min. 

En la figura 9 se muestra el recorrido de la herramienta para las 5 pasadas y cómo queda terminado el inserto.



Fig 9.- Simulación de las 5 pasadas del Acabado postratamiento de la pieza con fresa de punta esférica para acabados de Ø 8 mm.

Por último, se realiza otro rectificado, pero esta vez en las caras laterales que presentan un ángulo de inclinación de 12º, para quitar el mm de sobre medida.

La nueva estrategia de fabricación con MAV propuesta en este trabajo y totalmente conciliada con los especialistas del taller, arroja una reducción del costo de fabricación de un 38%, pero debe tenerse presente que la mayoría de las operaciones se mantuvieron de la forma tradicional.

Hay que aclarar que la propuesta hecha aquí es susceptible de ser mejorada, porque es conservadora en la selección de los tiempos auxiliares y en algunos casos los regímenes aplicados a las herramientas no las llevan al límite de sus posibilidades.

Aunque el resultado de este análisis indica un salto importante de productividad, siguen gravitando negativamente sobre este las operaciones que no se realizan con MAV. Si se reduce el análisis solo a las operaciones con MAV, en la variante tradicional el tiempo total de mecanizado es de 1 327 minutos, mientras que en la variante propuesta el tiempo total es de 276,5 minutos, lo que representa una disminución del 79,16%. Todo esto apunta a la necesidad de cambiar más radicalmente concepciones de fabricación, que siguen dependiendo excesivamente de máquinas convencionales y del rectificado, por lo que queda abierta la necesidad de estudiar aún más este asunto. 

V. Conclusiones

1. Para aplicar el MAV deben reunirse una serie de requisitos, entre los cuales deben mencionarse:
- Disponer de herramientas de corte fabricadas específicamente para el MAV. 
- Disponer de controles numéricos con tiempo de ciclo del servoaccionamiento de 100 ms; función look-ahead; tiempo de proceso de bloque no mayor de 1 ms; etc.
- Poseer conos portaherramientas que formen un sistema equilibrado con la herramienta. 
- Poseer máquinas herramienta con amplias gamas de rpm, avances y potencias. 
- Disponer de sistemas CAM que respondan a las exigencias del MAV.
- Contar con recursos humanos debidamente calificados.

2. El taller estudiado en este trabajo reúne características que le permiten aplicar el MAV, aunque con ciertas limitaciones.

3. La propuesta de estrategia de mecanizado hecha en este trabajo, aplicando los conceptos del MAV y las potencialidades del taller, demuestra que el MAV es aplicable en el mismo, aunque no en toda su potencialidad, y que la repercusión económica y en la competitividad de esa aplicación es apreciable. 

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AUTORES
Dr. Sergio Padrón Soroa
Facultad de Ing. Mecánica de la Universidad Central de Las Villas
Carretera a Camajuaní km 5½, Santa Clara, V.C., Cuba
e-mail:sergiops@uclv.edu.cu 

Ing. Saúl M. Rodríguez Pérez
Facultad de Ing. Mecánica de la Universidad Central de Las Villas
Carretera a Camajuaní km 5½, Santa Clara, V.C., Cuba
e-mail:saulrp@uclv.edu.cu 

Año 2006.



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