El mecanizado de precisión es un proceso para eliminar material de una pieza de trabajo durante la realización de acabados con tolerancias estrechas.La máquina de precisión tiene muchos tipos, incluidos fresado, torneado y 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, se debe mover en las direcciones especificadas para realizar 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 el filo 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 creados por programas CAD (diseño asistido por computadora) o CAM (fabricación asistida por computadora) como AutoCAD y TurboCAD.El software puede ayudar a producir diagramas o contornos 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 programa CAD/CAM, a menudo todavía trabajan con bocetos dibujados a mano en las fases iniciales de un diseño.
El mecanizado de precisión se utiliza en diversos materiales, incluidos acero, bronce, grafito, vidrio y plástico, 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 la industria de fabricación de herramientas de carpintería podría utilizar procesos fotoquímicos de grabado y fresado.La producción de una tirada, o de una cantidad específica de un artículo en particular, puede ser de miles o solo de 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 durante toda 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 haciendo avanzar (o alimentando) el cortador dentro de la pieza de trabajo en una dirección determinada.El cortador también se puede sostener en un ángulo con respecto al eje de la herramienta.El fresado cubre una amplia variedad de operaciones y máquinas diferentes, en escalas que van desde pequeñas piezas individuales hasta operaciones de fresado en grupo de gran tamaño y 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 fue 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, cargadores o carruseles de herramientas, capacidad CNC, sistemas de refrigeración y recintos.Los centros de fresado generalmente se clasifican en centros de mecanizado verticales (VMC) o centros de mecanizado horizontales (HMC).
La integración del fresado en entornos de torneado, y viceversa, comenzó con herramientas activas para tornos y el uso ocasional de fresas para operaciones de torneado.Esto condujo a una nueva clase de máquinas herramienta, las máquinas multitarea (MTM), diseñadas específicamente para facilitar el fresado y el torneado dentro del mismo entorno de trabajo.
Para los ingenieros de diseño, los equipos de I+D y los fabricantes que dependen del abastecimiento 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 mecanizar 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
■ ¿A qué profundidad cortar?
■ Cuándo aplicar refrigerante
■ Cualquier otro factor relacionado con la velocidad, la velocidad de avance y la coordinación.
Luego, un controlador CNC utiliza el código de programación para controlar, automatizar y monitorear los movimientos de la máquina.
Hoy en día, el CNC es una característica incorporada en una amplia gama de equipos, desde tornos, fresadoras y enrutadores hasta máquinas de corte por electroerosión (mecanizado por descarga eléctrica) por hilo, 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, ésta 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 comúnmente se mecanizan 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 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 elegido.
Como ocurre prácticamente con 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 las piezas
■ Tolerancias estrictas, que suelen oscilar entre ±0,0002" (±0,00508 mm) y ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabados superficiales excepcionalmente lisos, incluidos acabados personalizados
■ Repetibilidad, incluso en 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 piezas?¿100.000 o un millón de partes?
Con el mecanizado CNC de precisión, puede obtener la escalabilidad y velocidad necesarias para este tipo de producción de gran 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 (normalmente metales) y descargas eléctricas para erosionar una pieza de trabajo y darle 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 versus torneado
El fresado es un proceso de mecanizado que utiliza una herramienta de corte cilíndrica giratoria para eliminar material y crear formas.Los equipos de fresado, conocidos como molino o centro de mecanizado, logran un universo de geometrías de piezas complejas en algunos de los objetos metálicos más grandes mecanizados.
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 sobre una base.
El torneado 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 sobre un eje vertical u horizontal mientras una herramienta de corte fija (que puede estar girando o no) 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.(Existe 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.La pieza gira en el husillo del torno y la herramienta de corte entra en contacto con la pieza de trabajo.
Mecanizado manual versus CNC
Si bien tanto las fresadoras como los tornos están disponibles en modelos manuales, las máquinas CNC son más apropiadas para la fabricación de piezas pequeñas, ya que ofrecen escalabilidad y repetibilidad para aplicaciones que requieren una producción de gran volumen de piezas con tolerancias estrictas.
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 multieje en los que la pieza también se puede mover.Esto contrasta con un torno donde la pieza de trabajo se limita a girar y las herramientas se mueven para crear la geometría deseada.
Estas configuraciones multieje permiten la producción de geometrías más complejas en una sola operación, sin requerir trabajo adicional por parte del operador de la máquina.Esto no sólo 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 en el mecanizado CNC de precisión garantiza que no entren virutas en la pieza de trabajo, incluso cuando se utiliza una máquina con un husillo orientado verticalmente.
fresadoras CNC
Las diferentes fresadoras varían en sus tamaños, configuraciones de ejes, velocidades de avance, velocidad de corte, dirección de avance del 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 ofrecer repetibilidad y se pueden utilizar para todo, desde la creación de prototipos hasta la producción de gran volumen.Las fresadoras CNC de precisión de alta gama se utilizan a menudo para trabajos con tolerancias estrictas, como el fresado de matrices y moldes finos.
Si bien el fresado CNC puede ofrecer una respuesta rápida, el acabado tal como se fresa 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 normalmente alcanzarán como máximo el 90 % del requisito de acabado, dejando algunas características para el acabado final a mano.
En cuanto al acabado superficial, existen herramientas que producirán no sólo un acabado superficial 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 un molino en el que el eje del husillo está alineado en la dirección del eje Z.Estas máquinas verticales se pueden dividir a su vez en dos tipos:
■Molinos de bancada, en los que el husillo se mueve paralelo a su propio eje mientras la mesa se mueve perpendicular al eje del husillo.
■Fresas de torreta, en las que el husillo está estacionario 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 del molino está alineado en la dirección del eje Y.La estructura horizontal significa que estos molinos tienden a ocupar más espacio en el taller de maquinaria;También suelen ser más pesadas y más potentes que las máquinas verticales.
A menudo se utiliza un molino horizontal cuando se requiere un mejor acabado superficial;Esto se debe a que la orientación del eje significa que las virutas de corte se caen naturalmente y se eliminan fácilmente.(Como beneficio adicional, la eliminación eficiente de viruta 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 múltiples ejes.Una fresadora de 3 ejes utiliza los ejes X, Y y Z para una amplia variedad de trabajos.Con una fresa de 4 ejes, la máquina puede girar sobre 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 alrededor de ella.Esto permite mecanizar cinco lados de una pieza de trabajo sin retirar 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 girar una pieza de trabajo sobre su eje para realizar diversas operaciones de corte y conformado, aplicando una amplia gama de herramientas a la pieza de trabajo.
Los tornos CNC, también llamados tornos de herramientas de acción real, son ideales para crear piezas simétricas cilíndricas o esféricas.Al igual que las fresadoras CNC, los tornos CNC pueden manejar operaciones más pequeñas, como la creación de prototipos, pero también pueden configurarse para una alta repetibilidad, lo que admite una producción de gran volumen.
Los tornos CNC también se pueden configurar para una producción relativamente sin manos, 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 en blanco de material en bruto en el mandril del husillo del torno.Este mandril mantiene la pieza de trabajo en su lugar mientras gira el husillo.Cuando el husillo alcanza la velocidad requerida, una herramienta de corte estacionaria entra en contacto con la pieza de trabajo para eliminar el material y lograr la geometría correcta.
Un torno CNC puede realizar una serie de operaciones, como taladrado, roscado, taladrado, escariado, refrentado y torneado cónico.Diferentes operaciones requieren cambios de herramientas y pueden aumentar el costo y el tiempo de preparación.
Cuando se completan todas las operaciones de mecanizado requeridas, la pieza se corta del stock para su posterior procesamiento, si es necesario.Luego, el torno CNC está listo para repetir la operación, y generalmente se requiere poco o ningún tiempo de configuración adicional entre ellas.
Los tornos CNC también pueden incorporar una variedad de alimentadores automáticos de barras, que reducen la cantidad de manipulación manual de materia prima y brindan ventajas como las siguientes:
■ Reducir el tiempo y el esfuerzo requerido por el operador de la máquina
■ Apoye la barra para reducir las vibraciones que pueden afectar negativamente la precisión.
■ Permitir que la máquina herramienta funcione a velocidades óptimas del 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 de China utilizan uno o dos husillos principales más uno o dos husillos traseros (o secundarios), siendo 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 una fresadora CNC.
Con un torno automático CNC estilo China, el material en bruto se alimenta a través de un husillo de cabezal deslizante hacia un casquillo 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 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 fresadora CNC tradicional.