El mecanizado de precisión es un proceso que elimina material de una pieza de trabajo durante el mantenimiento de acabados con tolerancias estrechas. Existen diversos tipos de máquinas de precisión, como el fresado, el torneado y el mecanizado por electroerosión. Actualmente, una máquina de precisión se controla generalmente mediante un control numérico computarizado (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 funcione correctamente, debe moverse en direcciones específicas para realizar el corte correcto. Este movimiento principal se denomina "velocidad de corte". La pieza de trabajo también puede moverse, lo que se conoce como movimiento secundario de avance. Juntos, estos movimientos y el filo de la herramienta de corte permiten el funcionamiento de la máquina de precisión.
El mecanizado de precisión de calidad requiere la capacidad de seguir planos extremadamente específicos elaborados con programas CAD (diseño asistido por computadora) o CAM (fabricación asistida por computadora) como AutoCAD y TurboCAD. Este software puede ayudar a generar los complejos diagramas o contornos tridimensionales necesarios para fabricar una herramienta, máquina u objeto. Estos planos deben respetarse al detalle para garantizar la integridad del producto. Si bien la mayoría de las empresas de mecanizado de precisión trabajan con algún tipo de programa CAD/CAM, a menudo también trabajan con bocetos hechos a mano en las fases iniciales del diseño.
El mecanizado de precisión se utiliza en diversos materiales, como acero, bronce, grafito, vidrio y plásticos, por nombrar solo algunos. Dependiendo del tamaño del proyecto y de los materiales a utilizar, se emplearán diversas herramientas de mecanizado de precisión. Se puede utilizar cualquier combinación de tornos, fresadoras, taladros de columna, sierras y rectificadoras, e incluso robótica de alta velocidad. La industria aeroespacial puede utilizar el mecanizado de alta velocidad, mientras que la industria de fabricación de herramientas de carpintería puede emplear procesos de grabado fotoquímico y fresado. La producción de una tirada, o de una cantidad específica de un artículo en particular, puede ser de miles o de solo unas pocas piezas. 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 tirada de un producto.
El fresado es el proceso de mecanizado que utiliza fresas rotativas para eliminar material de una pieza de trabajo, avanzándolas (o introduciéndolas) en una dirección determinada. La fresa también puede mantenerse en ángulo con respecto al eje de la herramienta. El fresado abarca una amplia variedad de operaciones y máquinas, desde pequeñas piezas individuales hasta operaciones de fresado múltiple de gran tamaño y alta resistencia. 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 máquina herramienta para fresado fue la fresadora (a menudo llamada fresadora). Tras la llegada del control numérico computarizado (CNC), las fresadoras evolucionaron hasta convertirse en centros de mecanizado: fresadoras mejoradas con cambiadores automáticos de herramientas, almacenes o carruseles de herramientas, capacidad CNC, sistemas de refrigeración y carcasas. Los centros de fresado se clasifican generalmente como centros de mecanizado verticales (CMV) o centros de mecanizado horizontales (CMH).
La integración del fresado en entornos de torneado, y viceversa, comenzó con herramientas motorizadas para tornos y el uso ocasional de fresadoras para operaciones de torneado. Esto dio lugar 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 ingenieros de diseño, equipos de I+D y fabricantes que dependen del suministro de piezas, el mecanizado CNC de precisión permite crear piezas complejas sin procesamiento adicional. De hecho, el mecanizado CNC de precisión a menudo permite fabricar piezas terminadas en una sola máquina.
El proceso de mecanizado elimina material y utiliza una amplia gama de herramientas de corte para crear el diseño final, a menudo muy complejo, de una pieza. El nivel de precisión se mejora mediante el uso del control numérico computarizado (CNC), que automatiza el control de las herramientas de mecanizado.
El papel del "CNC" en el mecanizado de precisión
Mediante instrucciones de programación codificadas, el mecanizado CNC de precisión permite cortar y dar forma a una pieza de trabajo según las especificaciones sin la intervención manual de un operador de la máquina.
A partir de un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) proporcionado por un cliente, un maquinista experto utiliza software de fabricación asistida por computadora (CAM) para crear las instrucciones de mecanizado de la pieza. Con base en el modelo CAD, el software determina las trayectorias de herramienta necesarias y genera el código de programación que indica a la máquina:
■ ¿Cuáles son las RPM y velocidades de avance correctas?
■ Cuándo y dónde mover la herramienta y/o la pieza de trabajo
■ ¿Qué tan profundo 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 está integrado en una amplia gama de equipos, desde tornos, fresadoras y routers hasta máquinas de electroerosión (electroerosión), láser y plasma. Además de automatizar el proceso de mecanizado y mejorar la precisión, el CNC elimina las tareas manuales y permite a los operarios supervisar varias máquinas funcionando simultáneamente.
Además, una vez diseñada la trayectoria de la herramienta y programada la máquina, esta puede procesar 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, prácticamente 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 con prácticamente todos los métodos de corte y mecanizado, los distintos materiales se comportan de forma distinta, y el tamaño y la forma de un componente también influyen considerablemente en el proceso. Sin embargo, en general, el 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 normalmente varían de ±0,0002" (±0,00508 mm) a ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabados superficiales excepcionalmente suaves, incluidos acabados personalizados
■ Repetibilidad, incluso en grandes volúmenes
Si bien un maquinista experto puede usar 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 piezas 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 gran volumen. Además, la alta repetibilidad del mecanizado CNC de precisión le permite obtener piezas idénticas de principio a fin, independientemente del número de piezas que produzca.
Existen métodos muy especializados de mecanizado CNC, como la electroerosión por hilo (EDM), el mecanizado aditivo y la impresión láser 3D. Por ejemplo, la electroerosión por hilo utiliza materiales conductores (normalmente metales) y descargas eléctricas para erosionar una pieza y crear formas complejas.
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 fresadora o centro de mecanizado, logra una gran variedad de geometrías de piezas complejas en algunos de los objetos metálicos mecanizados de mayor tamaño.
Una característica importante del fresado es que la pieza permanece estacionaria mientras la herramienta de corte gira. En otras palabras, en una fresadora, la herramienta de corte giratoria se mueve alrededor de la pieza, que permanece fija sobre una bancada.
El torneado es el proceso de cortar o dar forma a una pieza de trabajo en un torno. Normalmente, el torno gira la pieza 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 girar físicamente alrededor de la pieza. El material gira, lo que permite que la herramienta realice las operaciones programadas. (Existe un subconjunto de tornos en los que las herramientas giran alrededor de un alambre alimentado por una bobina; sin embargo, esto no se aborda aquí).
En el torneado, a diferencia del fresado, la pieza gira. El material gira en el husillo del torno y la herramienta de corte entra en contacto con ella.
Mecanizado manual vs. mecanizado 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 ajustadas.
Además de ofrecer máquinas sencillas de 2 ejes, donde la herramienta se mueve en los ejes X y Z, los equipos CNC de precisión incluyen modelos multieje donde la pieza también puede moverse. Esto contrasta con un torno, donde la pieza 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 necesidad de trabajo adicional por parte del operador. 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 de alta presión en el mecanizado CNC de precisión garantiza que no entren virutas en la pieza, 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 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 pueden utilizarse con materiales como el plástico y el aluminio.
Las fresadoras CNC están diseñadas para ofrecer repetibilidad y pueden utilizarse para todo tipo de tareas, desde la creación de prototipos hasta la producción a gran escala. Las fresadoras CNC de alta precisión se utilizan a menudo para trabajos con tolerancias ajustadas, como el fresado de matrices y moldes finos.
Si bien el fresado CNC permite una entrega rápida, el acabado en estado bruto crea piezas con marcas de herramienta visibles. También puede producir piezas con bordes afilados y rebabas, por lo que podrían requerirse procesos adicionales si los bordes y las rebabas no son aceptables para dichas características.
Por supuesto, las herramientas de desbarbado programadas en la secuencia desbarbarán, aunque normalmente lograrán como máximo el 90 % del requisito final, 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 tipo 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 diferencia principal está en la orientación del husillo de la máquina.
Un centro de mecanizado vertical es una fresadora cuyo eje del husillo está alineado con el eje Z. Estas máquinas verticales se pueden dividir en dos tipos:
■Fresadores 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.
■Fresadoras de torreta, en las que el husillo es 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 de la fresadora está alineado con el eje Y. La estructura horizontal implica que estas fresadoras tienden a ocupar más espacio en el taller; además, suelen ser más pesadas y potentes que las máquinas verticales.
Una fresadora horizontal se utiliza a menudo cuando se requiere un mejor acabado superficial; esto se debe a que la orientación del husillo permite que las virutas de corte se desprendan de forma natural y se eliminen fácilmente. (Como ventaja adicional, la eficiente eliminación de virutas ayuda a prolongar la vida útil de la herramienta).
En general, los centros de mecanizado verticales son más comunes porque pueden ser tan potentes como los horizontales y manejar piezas muy pequeñas. Además, ocupan menos espacio que los 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 fresadora de 4 ejes, la máquina puede girar sobre ejes verticales y horizontales y mover la pieza para permitir un mecanizado más continuo.
Una fresadora de 5 ejes cuenta con tres ejes tradicionales y dos ejes rotatorios adicionales, lo que permite girar la pieza a medida que el cabezal del husillo se mueve a su alrededor. Esto permite mecanizar cinco lados de una pieza sin necesidad de retirarla ni 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 modelado, aplicando una amplia gama de herramientas a la pieza de trabajo.
Los tornos CNC, también llamados tornos de acción real, son ideales para crear piezas cilíndricas o esféricas simétricas. Al igual que las fresadoras CNC, los tornos CNC pueden realizar operaciones más pequeñas, como la creación de prototipos, pero también pueden configurarse para una alta repetibilidad, lo que facilita la producción a gran escala.
Los tornos CNC también se pueden configurar para una producción relativamente sin intervención manual, lo que hace que sean ampliamente utilizados en las industrias automotriz, electrónica, aeroespacial, robótica y de dispositivos médicos.
Cómo funciona un torno CNC
En un torno CNC, se carga una barra de material en bruto en el mandril del husillo. Este mandril sujeta la pieza mientras el husillo gira. Cuando el husillo alcanza la velocidad requerida, una herramienta de corte estacionaria entra en contacto con la pieza para retirar material y lograr la geometría correcta.
Un torno CNC puede realizar diversas operaciones, como taladrado, roscado, mandrilado, escariado, refrentado y torneado cónico. Diversas operaciones requieren cambios de herramienta y pueden incrementar el coste y el tiempo de preparación.
Una vez completadas todas las operaciones de mecanizado necesarias, la pieza se corta del material para su posterior procesamiento, si es necesario. El torno CNC está entonces listo para repetir la operación, con poco o ningún tiempo de preparación adicional entre operaciones.
Los tornos CNC también pueden admitir 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 requeridos 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 chinos utilizan uno o dos husillos principales y uno o dos husillos traseros (o secundarios), siendo la transferencia rotativa la encargada del primero. El husillo principal realiza la operación de mecanizado principal con la ayuda de un casquillo guía.
Además, algunos tornos estilo chino vienen equipados con un segundo cabezal de herramienta que funciona como una fresadora CNC.
En un torno automático CNC de tipo chino, el material se introduce a través de un husillo de cabezal móvil en un casquillo guía. Esto permite que la herramienta corte el material más cerca de su punto de apoyo, lo que hace que la máquina china sea especialmente beneficiosa para piezas torneadas largas y delgadas, así como para el micromecanizado.
Los centros de torneado CNC multieje y los tornos de tipo chino pueden realizar múltiples operaciones de mecanizado con una sola máquina. Esto los convierte en una opción rentable para geometrías complejas que, de otro modo, requerirían varias máquinas o cambios de herramientas con equipos como una fresadora CNC tradicional.