El mecanizado de precisión es un proceso para eliminar material de una pieza de trabajo durante el mantenimiento de acabados de tolerancia estrecha. La máquina de precisión tiene muchos tipos, incluido el fresado, el torneado y el mecanizado por descarga eléctrica. Hoy en día, una máquina de precisión generalmente se controla mediante controles numéricos por computadora (CNC).
Casi todos los productos metálicos utilizan mecanizado de precisión, al igual que muchos otros materiales como el plástico y la madera. Estas máquinas son operadas por maquinistas especializados y capacitados. Para que la herramienta de corte haga su trabajo, debe moverse en las direcciones especificadas para hacer el corte correcto. Este movimiento primario se llama "velocidad de corte". La pieza de trabajo también se puede mover, lo que se conoce como movimiento secundario de "avance". Juntos, estos movimientos y la nitidez de la herramienta de corte permiten que la máquina de precisión funcione.
El mecanizado de precisión de calidad requiere la capacidad de seguir planos extremadamente específicos realizados por programas CAD (diseño asistido por computadora) o CAM (fabricación asistida por computadora) como AutoCAD y TurboCAD. El software puede ayudar a producir los diagramas o esquemas tridimensionales complejos necesarios para fabricar una herramienta, máquina u objeto. Estos planos deben cumplirse con gran detalle para garantizar que un producto conserve su integridad. Si bien la mayoría de las empresas de mecanizado de precisión trabajan con algún tipo de programas CAD / CAM, todavía trabajan a menudo con bocetos dibujados a mano en las fases iniciales de un diseño.
El mecanizado de precisión se utiliza en varios materiales, incluidos acero, bronce, grafito, vidrio y plásticos, por nombrar algunos. Dependiendo del tamaño del proyecto y de los materiales a utilizar, se utilizarán diversas herramientas de mecanizado de precisión. Se puede utilizar cualquier combinación de tornos, fresadoras, taladradoras, sierras y amoladoras, e incluso robótica de alta velocidad. La industria aeroespacial puede utilizar mecanizado de alta velocidad, mientras que una industria de fabricación de herramientas para carpintería puede utilizar procesos de grabado y fresado fotoquímicos. La producción de una corrida, o una cantidad específica de cualquier artículo en particular, puede ser de miles o solo unos pocos. El mecanizado de precisión a menudo requiere la programación de dispositivos CNC, lo que significa que están controlados numéricamente por computadora. El dispositivo CNC permite seguir las dimensiones exactas a lo largo de la ejecución de un producto.
El fresado es el proceso de mecanizado mediante el uso de cortadores giratorios para eliminar material de una pieza de trabajo al hacer avanzar (o alimentar) el cortador en la pieza de trabajo en una determinada dirección. El cortador también se puede sostener en un ángulo con respecto al eje de la herramienta. El fresado cubre una amplia variedad de diferentes operaciones y máquinas, en escalas desde pequeñas piezas individuales hasta grandes operaciones de fresado en grupo de servicio pesado. Es uno de los procesos más utilizados para mecanizar piezas personalizadas con tolerancias precisas.
El fresado se puede realizar con una amplia gama de máquinas herramienta. La clase original de máquinas herramienta para fresar era la fresadora (a menudo llamada molino). Después de la llegada del control numérico por computadora (CNC), las fresadoras evolucionaron hasta convertirse en centros de mecanizado: fresadoras aumentadas por cambiadores automáticos de herramientas, almacenes o carruseles de herramientas, capacidad CNC, sistemas de refrigeración y envolventes. Los centros de fresado se clasifican generalmente como centros de mecanizado verticales (VMC) o centros de mecanizado horizontales (HMC).
La integración del fresado en entornos de torneado, y viceversa, comenzó con el mecanizado motorizado para tornos y el uso ocasional de fresadoras para operaciones de torneado. Esto condujo a una nueva clase de máquinas herramienta, las máquinas multitarea (MTM), que están diseñadas específicamente para facilitar el fresado y el torneado dentro del mismo espacio de trabajo.
Para los ingenieros de diseño, los equipos de I + D y los fabricantes que dependen del suministro de piezas, el mecanizado CNC de precisión permite la creación de piezas complejas sin procesamiento adicional. De hecho, el mecanizado CNC de precisión a menudo hace posible que las piezas terminadas se fabriquen en una sola máquina.
El proceso de mecanizado elimina material y utiliza una amplia gama de herramientas de corte para crear el diseño final, y a menudo muy complejo, de una pieza. El nivel de precisión se mejora mediante el uso de control numérico por computadora (CNC), que se utiliza para automatizar el control de las herramientas de mecanizado.
El papel del "CNC" en el mecanizado de precisión
Utilizando instrucciones de programación codificadas, el mecanizado CNC de precisión permite cortar y moldear una pieza de trabajo según las especificaciones sin la intervención manual de un operador de la máquina.
Tomando un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) proporcionado por un cliente, un maquinista experto utiliza un software de fabricación asistida por computadora (CAM) para crear las instrucciones para el mecanizado de la pieza. Basado en el modelo CAD, el software determina qué trayectorias de herramientas se necesitan y genera el código de programación que le dice a la máquina:
■ Cuáles son las RPM y velocidades de avance correctas
■ Cuándo y dónde mover la herramienta y / o pieza de trabajo
■ Qué tan profundo cortar
■ Cuándo aplicar refrigerante
■ Cualquier otro factor relacionado con la velocidad, la velocidad de alimentación y la coordinación.
Luego, un controlador CNC usa el código de programación para controlar, automatizar y monitorear los movimientos de la máquina.
Hoy en día, el CNC es una característica incorporada de una amplia gama de equipos, desde tornos, fresadoras y enrutadores hasta máquinas de corte por electroerosión (mecanizado por descarga eléctrica), láser y plasma. Además de automatizar el proceso de mecanizado y mejorar la precisión, el CNC elimina las tareas manuales y libera a los maquinistas para supervisar varias máquinas funcionando al mismo tiempo.
Además, una vez que se ha diseñado una trayectoria de herramienta y se ha programado una máquina, puede ejecutar una pieza tantas veces como desee. Esto proporciona un alto nivel de precisión y repetibilidad, lo que a su vez hace que el proceso sea altamente rentable y escalable.
Materiales que se mecanizan
Algunos metales que se mecanizan comúnmente incluyen aluminio, latón, bronce, cobre, acero, titanio y zinc. Además, también se pueden mecanizar madera, espuma, fibra de vidrio y plásticos como el polipropileno.
De hecho, casi cualquier material se puede utilizar con el mecanizado CNC de precisión, por supuesto, dependiendo de la aplicación y sus requisitos.
Algunas ventajas del mecanizado CNC de precisión
Para muchas de las piezas y componentes pequeños que se utilizan en una amplia gama de productos manufacturados, el mecanizado CNC de precisión suele ser el método de fabricación preferido.
Como ocurre con prácticamente todos los métodos de corte y mecanizado, los diferentes materiales se comportan de manera diferente y el tamaño y la forma de un componente también tienen un gran impacto en el proceso. Sin embargo, en general, el proceso de mecanizado CNC de precisión ofrece ventajas sobre otros métodos de mecanizado.
Esto se debe a que el mecanizado CNC es capaz de ofrecer:
■ Un alto grado de complejidad de la pieza
■ Tolerancias estrictas, que suelen oscilar entre ± 0,0002 "(± 0,00508 mm) y ± 0,0005" (± 0,0127 mm)
■ Acabados de superficie excepcionalmente lisos, incluidos acabados personalizados
■ Repetibilidad, incluso a grandes volúmenes
Si bien un maquinista experto puede utilizar un torno manual para fabricar una pieza de calidad en cantidades de 10 o 100, ¿qué sucede cuando se necesitan 1000 piezas? 10,000 partes? ¿100.000 o un millón de piezas?
Con el mecanizado CNC de precisión, puede obtener la escalabilidad y la velocidad necesarias para este tipo de producción de alto volumen. Además, la alta repetibilidad del mecanizado CNC de precisión le brinda piezas que son todas iguales de principio a fin, sin importar cuántas piezas esté produciendo.
Existen algunos métodos muy especializados de mecanizado CNC, que incluyen electroerosión por hilo (mecanizado por descarga eléctrica), mecanizado aditivo e impresión láser 3D. Por ejemplo, la electroerosión por hilo utiliza materiales conductores, generalmente metales, y descargas eléctricas para erosionar una pieza de trabajo en formas intrincadas.
Sin embargo, aquí nos centraremos en los procesos de fresado y torneado, dos métodos sustractivos que están ampliamente disponibles y se utilizan con frecuencia para el mecanizado CNC de precisión.
Fresado vs torneado
El fresado es un proceso de mecanizado que utiliza una herramienta de corte cilíndrica giratoria para eliminar material y crear formas. El equipo de fresado, conocido como molino o centro de mecanizado, logra un universo de geometrías de piezas complejas en algunos de los objetos más grandes de metal mecanizado.
Una característica importante del fresado es que la pieza de trabajo permanece estacionaria mientras la herramienta de corte gira. En otras palabras, en un molino, la herramienta de corte giratoria se mueve alrededor de la pieza de trabajo, que permanece fija en su lugar en una cama.
Tornear es el proceso de cortar o dar forma a una pieza de trabajo en un equipo llamado torno. Normalmente, el torno hace girar la pieza de trabajo en un eje vertical u horizontal mientras que una herramienta de corte fija (que puede o no girar) se mueve a lo largo del eje programado.
La herramienta no puede rodear físicamente la pieza. El material gira, permitiendo que la herramienta realice las operaciones programadas. (Hay un subconjunto de tornos en los que las herramientas giran alrededor de un alambre alimentado por carrete, sin embargo, eso no se trata aquí).
Al tornear, a diferencia del fresado, la pieza gira. El material de la pieza gira sobre el eje del torno y la herramienta de corte se pone en contacto con la pieza de trabajo.
Mecanizado manual vs mecanizado CNC
Si bien tanto los molinos como los tornos están disponibles en modelos manuales, las máquinas CNC son más apropiadas para fines de fabricación de piezas pequeñas, ya que ofrecen escalabilidad y repetibilidad para aplicaciones que requieren una producción de alto volumen de piezas de tolerancia ajustada.
Además de ofrecer máquinas sencillas de 2 ejes en las que la herramienta se mueve en los ejes X y Z, los equipos CNC de precisión incluyen modelos multiejes en los que la pieza de trabajo también se puede mover. Esto contrasta con un torno donde la pieza de trabajo se limita a girar y las herramientas se moverán para crear la geometría deseada.
Estas configuraciones de múltiples ejes permiten la producción de geometrías más complejas en una sola operación, sin requerir trabajo adicional por parte del operador de la máquina. Esto no solo facilita la producción de piezas complejas, sino que también reduce o elimina la posibilidad de error del operador.
Además, el uso de refrigerante a alta presión con mecanizado CNC de precisión asegura que las virutas no entren en la obra, incluso cuando se utiliza una máquina con un husillo orientado verticalmente.
Molinos CNC
Las diferentes fresadoras varían en sus tamaños, configuraciones de ejes, velocidades de avance, velocidad de corte, dirección de avance de fresado y otras características.
Sin embargo, en general, todas las fresadoras CNC utilizan un husillo giratorio para cortar el material no deseado. Se utilizan para cortar metales duros como el acero y el titanio, pero también se pueden utilizar con materiales como el plástico y el aluminio.
Las fresadoras CNC están diseñadas para la repetibilidad y se pueden usar para todo, desde la creación de prototipos hasta la producción de alto volumen. Las fresadoras CNC de precisión de alta gama se utilizan a menudo para trabajos de tolerancia estricta, como el fresado de matrices y moldes finos.
Mientras que el fresado CNC puede ofrecer una respuesta rápida, el acabado tal como se ha fresado crea piezas con marcas de herramientas visibles. También puede producir piezas con algunos bordes afilados y rebabas, por lo que es posible que se requieran procesos adicionales si los bordes y las rebabas son inaceptables para esas características.
Por supuesto, las herramientas de desbarbado programadas en la secuencia desbarbarán, aunque generalmente alcanzan el 90% del requisito de acabado como máximo, dejando algunas características para el acabado manual final.
En cuanto al acabado de la superficie, existen herramientas que producirán no solo un acabado de superficie aceptable, sino también un acabado similar a un espejo en partes del producto de trabajo.
Tipos de fresadoras CNC
Los dos tipos básicos de fresadoras se conocen como centros de mecanizado verticales y centros de mecanizado horizontales, donde la principal diferencia está en la orientación del husillo de la máquina.
Un centro de mecanizado vertical es una fresa en la que el eje del husillo está alineado en la dirección del eje Z. Estas máquinas verticales se pueden dividir en dos tipos:
■ Molinos de bancada, en los que el husillo se mueve paralelo a su propio eje mientras que la mesa se mueve perpendicular al eje del husillo
■ Molinos de torreta, en los que el husillo está parado y la mesa se mueve de manera que siempre esté perpendicular y paralela al eje del husillo durante la operación de corte
En un centro de mecanizado horizontal, el eje del husillo de la fresa está alineado en una dirección del eje Y. La estructura horizontal significa que estos molinos tienden a ocupar más espacio en el piso del taller de máquinas; también son generalmente más pesados y más potentes que las máquinas verticales.
A menudo se utiliza un molino horizontal cuando se requiere un mejor acabado superficial; eso se debe a que la orientación del eje significa que las virutas de corte se desprenden naturalmente y se quitan fácilmente. (Como beneficio adicional, la eliminación eficiente de virutas ayuda a aumentar la vida útil de la herramienta).
En general, los centros de mecanizado verticales son más frecuentes porque pueden ser tan potentes como los centros de mecanizado horizontales y pueden manejar piezas muy pequeñas. Además, los centros verticales ocupan menos espacio que los centros de mecanizado horizontales.
Fresadoras CNC multieje
Los centros de fresado CNC de precisión están disponibles con varios ejes. Un molino de 3 ejes utiliza los ejes X, Y y Z para una amplia variedad de trabajos. Con un molino de 4 ejes, la máquina puede girar en un eje vertical y horizontal y mover la pieza de trabajo para permitir un mecanizado más continuo.
Un molino de 5 ejes tiene tres ejes tradicionales y dos ejes giratorios adicionales, lo que permite girar la pieza de trabajo a medida que el cabezal del husillo se mueve a su alrededor. Esto permite mecanizar cinco lados de una pieza de trabajo sin quitar la pieza de trabajo y reiniciar la máquina.
Tornos CNC
Un torno, también llamado centro de torneado, tiene uno o más husillos y ejes X y Z. La máquina se utiliza para rotar una pieza de trabajo sobre su eje para realizar varias operaciones de corte y conformado, aplicando una amplia gama de herramientas a la pieza de trabajo.
Los tornos CNC, que también se denominan tornos de herramientas de acción en vivo, son ideales para crear piezas cilíndricas o esféricas simétricas. Al igual que las fresadoras CNC, los tornos CNC pueden manejar operaciones más pequeñas, como la creación de prototipos, pero también se pueden configurar para una alta repetibilidad, lo que permite una producción de alto volumen.
Los tornos CNC también se pueden configurar para una producción relativamente manos libres, lo que los hace ampliamente utilizados en las industrias automotriz, electrónica, aeroespacial, robótica y de dispositivos médicos.
Cómo funciona un torno CNC
Con un torno CNC, se carga una barra de material en blanco en el mandril del eje del torno. Este mandril sostiene la pieza de trabajo en su lugar mientras gira el husillo. Cuando el husillo alcanza la velocidad requerida, una herramienta de corte estacionaria se pone en contacto con la pieza de trabajo para eliminar material y lograr la geometría correcta.
Un torno CNC puede realizar una serie de operaciones, como taladrado, roscado, mandrinado, escariado, refrentado y torneado cónico. Las diferentes operaciones requieren cambios de herramienta y pueden aumentar el costo y el tiempo de configuración.
Cuando se completan todas las operaciones de mecanizado requeridas, la pieza se corta del stock para su posterior procesamiento, si es necesario. El torno CNC está entonces listo para repetir la operación, con poco o ningún tiempo de configuración adicional que generalmente se requiere entre ellos.
Los tornos CNC también pueden acomodar una variedad de alimentadores de barras automáticos, que reducen la cantidad de manejo manual de materia prima y brindan ventajas como las siguientes:
■ Reducir el tiempo y el esfuerzo requeridos por el operador de la máquina.
■ Apoye la barra de material para reducir las vibraciones que pueden afectar negativamente la precisión
■ Permitir que la máquina herramienta funcione a velocidades óptimas de husillo.
■ Minimizar los tiempos de cambio
■ Reducir el desperdicio de material
Tipos de tornos CNC
Hay varios tipos diferentes de tornos, pero los más comunes son los tornos CNC de 2 ejes y los tornos automáticos de estilo chino.
La mayoría de los tornos CNC China utilizan uno o dos husillos principales más uno o dos husillos traseros (o secundarios), con la transferencia rotativa responsable del primero. El husillo principal realiza la operación de mecanizado primario, con la ayuda de un casquillo guía.
Además, algunos tornos de estilo chino vienen equipados con un segundo cabezal de herramienta que funciona como fresadora CNC.
Con un torno automático de estilo chino CNC, el material de stock se alimenta a través de un husillo de cabezal deslizante a un buje guía. Esto permite que la herramienta corte el material más cerca del punto donde se apoya el material, lo que hace que la máquina China sea especialmente beneficiosa para piezas torneadas largas y delgadas y para micromecanizado.
Los centros de torneado CNC de ejes múltiples y los tornos de estilo chino pueden realizar múltiples operaciones de mecanizado utilizando una sola máquina. Esto los convierte en una opción rentable para geometrías complejas que de otro modo requerirían múltiples máquinas o cambios de herramientas utilizando equipos como una fresa CNC tradicional.