El mecanizado de precisión es un proceso para eliminar material de una pieza de trabajo manteniendo acabados con tolerancias ajustadas. Existen muchos tipos de máquinas de precisión, como las de fresado, torneado y mecanizado por electroerosión. Actualmente, una máquina de precisión se controla generalmente mediante un sistema de control numérico computarizado (CNC).
Casi todos los productos metálicos, así como muchos otros materiales como el plástico y la madera, se fabrican mediante mecanizado de precisión. Estas máquinas son operadas por operarios especializados y capacitados. Para que la herramienta de corte cumpla su función, debe moverse en las 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". En conjunto, estos movimientos y el filo de la herramienta de corte permiten el funcionamiento de la máquina de precisión.
El mecanizado de precisión de alta calidad requiere la capacidad de seguir planos extremadamente específicos creados con programas CAD (diseño asistido por computadora) o CAM (fabricación asistida por computadora), como AutoCAD y TurboCAD. El software permite generar los complejos diagramas o esquemas tridimensionales necesarios para fabricar una herramienta, máquina u objeto. Estos planos deben seguirse al pie de la letra 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, aún utilizan con frecuencia bocetos a mano en las fases iniciales del diseño.
El mecanizado de precisión se utiliza en diversos materiales, como acero, bronce, grafito, vidrio y plásticos, entre otros. Dependiendo del tamaño del proyecto y de los materiales a utilizar, se emplearán diferentes herramientas de mecanizado de precisión. Se puede utilizar cualquier combinación de tornos, fresadoras, taladros, sierras y rectificadoras, e incluso robótica de alta velocidad. La industria aeroespacial puede utilizar mecanizado de alta velocidad, mientras que la industria de fabricación de herramientas para madera podría emplear procesos de grabado fotoquímico y fresado. La producción en serie, o una cantidad específica de cualquier artículo, puede ser de miles o de tan 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 mantener dimensiones exactas durante toda la producción de un producto.
El fresado es el proceso de mecanizado que utiliza fresas rotativas para eliminar material de una pieza de trabajo, avanzando (o alimentando) la fresa hacia la pieza 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 piezas individuales pequeñas hasta grandes operaciones de fresado en serie de alta resistencia. Es uno de los procesos más utilizados para mecanizar piezas a medida con tolerancias precisas.
El fresado se puede realizar con una amplia gama de máquinas herramienta. La primera clase de máquinas herramienta para fresar fue la fresadora (a menudo llamada simplemente fresadora). Tras la llegada del control numérico computarizado (CNC), las fresadoras evolucionaron hasta convertirse en centros de mecanizado: fresadoras equipadas con cambiadores automáticos de herramientas, almacenes o carruseles de herramientas, capacidad CNC, sistemas de refrigeración y cerramientos. Los centros de fresado se clasifican generalmente en centros de mecanizado vertical (VMC) o centros de mecanizado horizontal (HMC).
La integración del fresado en los entornos de torneado, y viceversa, comenzó con el uso de 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 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 crear piezas complejas sin procesamiento adicional. De hecho, a menudo es posible 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 optimiza mediante el uso del control numérico computarizado (CNC), que automatiza el control de las herramientas de mecanizado.
El papel de la tecnología 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 operario.
A partir de un modelo de diseño asistido por computadora (CAD) proporcionado por el cliente, un maquinista experto utiliza software de fabricación asistida por computadora (CAM) para crear las instrucciones de mecanizado de la pieza. Basándose en el modelo CAD, el software determina las trayectorias de herramienta necesarias y genera el código de programación que le indica a la máquina:
■ ¿Cuáles son las RPM y las velocidades de alimentación correctas?
■ Cuándo y dónde mover la herramienta y/o la pieza de trabajo
■ ¿Qué tan profundo debe ser el corte?
■ Cuándo aplicar el refrigerante
■ Cualquier otro factor relacionado con la velocidad, el ritmo de avance y la coordinación.
Posteriormente, un controlador CNC utiliza el código de programación para controlar, automatizar y supervisar los movimientos de la máquina.
Hoy en día, el control numérico computarizado (CNC) es una característica integrada en una amplia gama de equipos, desde tornos, fresadoras y routers hasta máquinas de electroerosión por hilo (EDM), láser y corte por 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 mecanizar una pieza tantas veces como se desee. Esto proporciona un alto nivel de precisión y repetibilidad, lo que a su vez hace que el proceso sea muy rentable y escalable.
Materiales que se mecanizan
Algunos metales que se mecanizan habitualmente son el aluminio, el latón, el bronce, el cobre, el acero, el titanio y el zinc. Además, también se pueden mecanizar madera, espuma, fibra de vidrio y plásticos como el polipropileno.
De hecho, casi cualquier material puede utilizarse 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 preferido.
Como ocurre con prácticamente todos los métodos de corte y mecanizado, los distintos materiales se comportan de manera diferente, y el tamaño y la forma de la pieza 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 suelen oscilar entre ±0,0002" (±0,00508 mm) y ±0,0005" (±0,0127 mm).
■ Acabados superficiales excepcionalmente lisos, incluyendo acabados personalizados.
■ Repetibilidad, incluso a altos 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 o un millón de piezas?
Con el mecanizado CNC de precisión, se consigue la escalabilidad y la velocidad necesarias para este tipo de producción en grandes volúmenes. Además, la alta repetibilidad del mecanizado CNC de precisión garantiza piezas idénticas de principio a fin, independientemente de la cantidad producida.
Existen métodos de mecanizado CNC muy especializados, como el mecanizado por descarga eléctrica (EDM), el mecanizado aditivo y la impresión láser 3D. Por ejemplo, el EDM utiliza materiales conductores —generalmente metales— y descargas eléctricas para erosionar una pieza y darle formas complejas.
Sin embargo, aquí nos centraremos en los procesos de fresado y torneado, dos métodos sustractivos ampliamente disponibles y utilizados con frecuencia para el mecanizado CNC de precisión.
Fresado frente a 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 fresadoras o centros de mecanizado, permiten obtener una amplia gama de geometrías complejas en algunos de los objetos metálicos más grandes.
Una característica importante del fresado es que la pieza de trabajo permanece inmóvil mientras la herramienta de corte gira. En otras palabras, en una fresadora, la herramienta de corte giratoria se mueve alrededor de la pieza de trabajo, que permanece fija sobre una bancada.
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 girar o no) se mueve a lo largo del eje programado.
La herramienta no puede rodear físicamente 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, este tema no se trata aquí).
En el torneado, a diferencia del fresado, la pieza de trabajo gira. La pieza en bruto gira sobre el husillo del torno y la herramienta de corte entra en contacto con ella.
Mecanizado manual frente a 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 la producción en grandes volúmenes 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 de trabajo también puede moverse. Esto contrasta con un torno, donde la pieza de trabajo solo gira 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 intervención adicional del operario. Esto no solo facilita la fabricación de piezas complejas, sino que también reduce o elimina la posibilidad de errores humanos.
Además, el uso de refrigerante a alta presión con mecanizado CNC de precisión garantiza que las virutas no entren en la maquinaria, incluso cuando se utiliza una máquina con un husillo orientado verticalmente.
Fresadoras CNC
Las diferentes fresadoras varían en tamaño, configuración de ejes, velocidad 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 eliminar el material no deseado. Se emplean para cortar metales duros como el acero y el titanio, pero también pueden usarse con materiales como el plástico y el aluminio.
Las fresadoras CNC están diseñadas para ofrecer repetibilidad y pueden utilizarse para todo tipo de aplicaciones, desde la creación de prototipos hasta la producción en grandes volúmenes. Las fresadoras CNC de alta precisión se utilizan a menudo para trabajos con tolerancias muy ajustadas, como el fresado de matrices y moldes de precisión.
Si bien el fresado CNC permite plazos de entrega rápidos, el acabado posterior al fresado genera piezas con marcas de herramienta visibles. También puede producir piezas con bordes afilados y rebabas, por lo que podrían ser necesarios procesos adicionales si estos bordes y rebabas resultan inaceptables para dichas características.
Por supuesto, las herramientas de desbarbado programadas en la secuencia eliminarán las rebabas, aunque normalmente solo se alcanza el 90% del acabado deseado, dejando algunos detalles para el acabado final manual.
En cuanto al acabado superficial, existen herramientas que permiten obtener no solo un acabado superficial aceptable, sino también un acabado similar al de un espejo en ciertas partes del producto.
Tipos de fresadoras CNC
Los dos tipos básicos de fresadoras se conocen como centros de mecanizado verticales y centros de mecanizado horizontales, cuya principal diferencia radica en la orientación del husillo de la máquina.
Un centro de mecanizado vertical es una fresadora en la 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:
■Fresadoras de bancada, en las que el husillo se mueve paralelamente a su propio eje mientras que la mesa se mueve perpendicularmente al eje del husillo.
■ Fresadoras de torreta, en las que el husillo es fijo 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 en la dirección del eje Y. Esta estructura horizontal implica que estas fresadoras suelen ocupar más espacio en el taller; además, generalmente son 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 eliminación eficiente de las virutas contribuye 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 pueden procesar piezas muy pequeñas. Además, los centros verticales ocupan menos espacio que los horizontales.
Fresadoras CNC multieje
Existen centros de fresado CNC de precisión 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 un eje vertical y otro horizontal, y mover la pieza de trabajo para permitir un mecanizado más continuo.
Una fresadora de 5 ejes cuenta con tres ejes tradicionales y dos ejes rotatorios adicionales, lo que permite que la pieza gire mientras el cabezal del husillo se desplaza a su alrededor. Esto posibilita el mecanizado de cinco caras de una pieza sin necesidad de retirarla ni reconfigurar la máquina.
tornos CNC
Un torno —también llamado centro de torneado— tiene uno o más husillos y ejes X e Z. La máquina se utiliza para hacer girar una pieza de trabajo sobre su eje y realizar diversas operaciones de corte y conformado, aplicando una amplia gama de herramientas a la pieza.
Los tornos CNC, también conocidos como tornos de herramientas motorizadas, son ideales para crear piezas cilíndricas o esféricas simétricas. Al igual que las fresadoras CNC, los tornos CNC pueden realizar operaciones pequeñas, como la creación de prototipos, pero también pueden configurarse para lograr una alta repetibilidad, lo que permite la producción en grandes volúmenes.
Los tornos CNC también se pueden configurar para una producción prácticamente sin intervención humana, lo que hace que se utilicen ampliamente en las industrias automotriz, electrónica, aeroespacial, robótica y de dispositivos médicos.
Cómo funciona un torno CNC
En un torno CNC, una barra de material en bruto se coloca 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 fija entra en contacto con la pieza para eliminar material y lograr la geometría correcta.
Un torno CNC puede realizar diversas operaciones, como taladrar, roscar, mandrinar, escariar, refrentar y tornear conos. Las diferentes operaciones requieren cambios de herramienta, lo que puede aumentar el costo y el tiempo de preparación.
Una vez completadas todas las operaciones de mecanizado necesarias, la pieza se corta del material base para su posterior procesamiento, si fuera preciso. El torno CNC queda entonces listo para repetir la operación, generalmente con poco o ningún tiempo de preparación adicional entre cada una.
Los tornos CNC también pueden incorporar una variedad de alimentadores automáticos de barras, que reducen la cantidad de manipulación manual de materia prima y ofrecen ventajas como las siguientes:
■ Reduce el tiempo y el esfuerzo requeridos por el operador de la máquina.
■ Sujete la barra para reducir las vibraciones que pueden afectar negativamente a la precisión.
■ Permitir que la máquina herramienta funcione a velocidades de husillo óptimas.
■ Minimizar los tiempos de cambio
■ Reducir el desperdicio de materiales
Tipos de tornos CNC
Existen varios tipos 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, además de uno o dos husillos secundarios (o de apoyo), siendo la transferencia rotativa la responsable del primero. El husillo principal realiza la operación de mecanizado primaria con la ayuda de un casquillo guía.
Además, algunos tornos de estilo chino vienen equipados con un segundo cabezal portaherramientas que funciona como una fresadora CNC.
En un torno automático CNC de estilo chino, el material se introduce mediante un husillo de cabezal deslizante en un casquillo guía. Esto permite que la herramienta corte el material más cerca del punto de apoyo, lo que hace que la máquina china sea especialmente útil para piezas torneadas largas y delgadas, así como para el micromecanizado.
Los centros de torneado CNC multieje y los tornos de estilo 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.