El mecanizado de alta velocidad, utiliza las mismas variables que el fresado tradicional. Tenemos una velocidad de husillo (S), una velocidad de avance (F) y unas profundidades de corte axial (Ap) y de corte radial (Ae).

Para muchas personas, el termino de mecanizado de alta velocidad, da lugar a confusión. Muchas empresas que cuentan con máquinas de mecanizado de alta velocidad, tienen diferentes opiniones, sobre lo que significa.

Para muchos profesionales del sector, el mecanizado de alta velocidad, es cuando la máquina CNC es capaz de superar las 20.000 RPM del husillo, pero esta definición no es ni de lejos la más adecuada sobre que es el mecanizado de alta velocidad. El micromecanizado utiliza esas RPM y no es un mecanizado de alta velocidad.

Otros profesionales a los que he preguntado, lo llaman a una estrategia de mecanizado, dónde se elimina la viruta rápidamente, similar a una estrategia de fresado trocoidal. Esta definición tampoco es acertada sobre que es el mecanizado de alta velocidad. 

¿Qué es el mecanizado de alta velocidad?

El mecanizado de alta velocidad es una metodología de mecanizado que se centra en realizar cortes extremadamente rápidos pero ligeros y de baja presión.

El resultado es un aumento general, en la tasa de volumen en la eliminación del material.

Esta puede ser una buena explicación de lo que es el mecanizado de alta velocidad. Aunque tenemos que decir que no todo queda en esta explicación. Tenemos que atender a otros aspectos, que influyen en el mecanizado de alta velocidad, que van más allá de los parámetros de corte. 

¿Cómo podemos definir un mecanizado de alta velocidad?

Definir un mecanizado de alta velocidad puede ser complicado. Principalmente, porque se puede interpretar como una operación o un conjunto de operaciones.

El mecanizado de alta velocidad siempre ha traído confusiones entre los profesionales del sector. 

El mecanizado de alta velocidad, se puede asociar a la velocidad de corte (vc), se puede asociar a la velocidad del husillo (n), se puede asociar con alto avance (vf) y se puede asociar con una tasa de volumen de viruta alto (Q).

Imagen de un fresado de alta velocidad
Imagen de un fresado de alta velocidad

Aunque se pueda asociar a los siguientes parámetros e corte de un mecanizado, el mecanizado de alta velocidad, no tiene nada que ver con una alta eliminación de material (Q), utilizando una gran profundidad de corte axial (Ap) o una gran profundidad radial (Ae).

Hoy en día también muchos fabricantes de herramientas, no ayudan mucho a poder entender que es el mecanizado de alta velocidad, ya que no hay una denominación concreta estandarizada. Lo que un fabricante llama HPC otro lo llama TPC, etc.

Es por esto, que nosotros desde Formación Mecanizado, queremos aclarar todas estas dudas y pequeños grises que existen cuando hablamos de mecanizado de alta velocidad. Primero vamos a comenzar, contado su historia y de los comienzos del mecanizado de alta velocidad.

Historia del mecanizado de alta velocidad

Los primeros intentos del mecanizado de alta velocidad se produjeron a principios de los años 1920. Unos diez años más tarde, Carl Solomon propuso su definición de mecanizado de alta velocidad.

“A una determinada velocidad de corte que es de cinco a diez veces mayor que en el mecanizado convencional, la temperatura de eliminación de viruta en el filo comenzará a disminuir”.

Fijaros en la definición, Carl Salomón ya nos estaba diciendo, una de las principales ventajas, que íbamos a tener con el mecanizado de alta velocidad. Una temperatura menor en el filo de corte.

Hoy en día, su famoso gráfico, se ha convertido en sinónimo de aprendizaje sobre el mecanizado de alta velocidad e ilustra lo que se ha denominado la «Curva de Salomón».

 

Imagen del grafico de la curva de Salomón
Imagen del grafico de la curva de Salomón

 

Los estudios de corte del ingeniero alemán (Carl Salomón) demostraron que por encima de un cierto valor de la velocidad de corte, (dependiendo del tipo de metal), la temperatura de mecanizado
comenzaba a disminuir: 440 m/min para el acero, 1.600 m/min para el bronce, 2.800m/min para cobre y hasta 16.500 m/min para aluminio.

Salomón realizó esta investigación fundamental, utilizando una sierra circular de cuchillas de gran diámetro, ya que, en aquel entonces, no disponía de maquinaria que tuviera muchas revoluciones en el husillo.

Salomón, se encontró con otro problema añadido, ya que las herramientas de gran diámetro, se usaban con muy poca frecuencia.

En la práctica Salomón, se dio cuenta de que necesitaba altas velocidades de husillo, para poder conseguir unas velocidades de corte mayores.

En el gráfico Carl Salomón, ilustra la naturaleza de la temperatura en relación con la velocidad de corte como en la curva antes mencionada, para un material específico. La curva a la que se refiere en la imagen, aunque no sea muy clara, Carl salomón, quiso representar que hay dos velocidades de corte para la misma herramienta y mismo material.

En las cuales, la temperatura de la herramienta será la misma, aunque una de las velocidades de corte, como podemos observar, es mucho mayor que la otra.

Aceptación del mecanizado de alta velocidad

Desde entonces, fue aceptado este concepto, como el comienzo del mecanizado de alta velocidad. Esta intrigante idea ha captado la imaginación de muchos ingenieros que han intentado en vano implementarla.

El gráfico de Salomón se ha discutido en muchos idiomas y es la base de más especulaciones que cualquier otra afirmación en la literatura sobre el corte de metales.

Pasó relativamente mucho tiempo antes de que la patente de Salomón para el mecanizado con altas velocidades de corte, fuera investigada en aplicaciones prácticas. No fue hasta finales de los años 1950 cuando la investigación sobre el mecanizado de alta velocidad (High Speed Milling) HSM empezó a despegar.

En los años ochenta, Lockheed fue uno de los primeros en adoptar el mecanizado de alta velocidad, luego le siguieron otros en la fabricación aeroespacial. Fue en este punto que el mecanizado de alta velocidad se convirtió en una opción factible al mecanizado convencional.

Hoy en día, el mecanizado de alta velocidad está ganando popularidad y cada vez es más común verlo implementado en los talleres mecánicos. Se realizaron algunos trabajos a finales de los años 1960 y principios de los 1970, pero el impulso industrial para examinar esta tecnología provino de la industria aeronáutica estadounidense en 1975.

Las primeras investigaciones se llevaron a cabo con la introducción de máquinas controladas numéricamente por CNC. En los años siguientes, el interés por el tema continuó y dio lugar a varios estudios.

La conclusión de la investigación de Carl Salomón años después, se demostró que la teoría no es válida para la temperatura entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo, pero podría ser cierta, en relación de la temperatura de la superficie con la temperatura de la pieza de trabajo.

La propia industria se mostró cautelosa con el concepto de mecanizado de alta velocidad, pero podría decirse que el factor más importante fue el estado de las instalaciones de fabricación. 

Muchas instalaciones de producción carecían de la tecnología necesaria para implementar con éxito técnicas de mecanizado de alta velocidad. 

Esto es menos común hoy en día, ya que las máquinas CNC y los sistemas CAM están diseñados teniendo en mente el mecanizado de alta velocidad.

 

Video de una fresadora de alta velocidad Brother Speedio M200X3

Factores clave en el mecanizado de alta velocidad

Ahora que ya sabemos un poco más sobre la historia del mecanizado de alta velocidad, vamos a ver todos los factores que son necesarios para realizar un mecanizado de alta velocidad. Creerme que no son pocos y vamos a ir desgranando todo poco a poco.

El mecanizado de alta velocidad por sus siglas en inglés (High Speed Milling), suele asociarse con cualquier velocidad de husillo superior a 15.000 rpm, pero es mucho más que un simple husillo más rápido que el de otras máquinas convencionales. 

Se debe considerar todas las especificaciones de la máquina al seleccionar una buena máquina CNC, con la que podamos realizar un mecanizado de alta velocidad.

Factores clave que tiene que tener una máquina CNC, para realizar un mecanizado de alta velocidad

Los factores a tener en cuenta en una máquina CNC de alta velocidad son varios y vamos a seleccionar cuales son:

  • Los centros de fresado de alta velocidad, trabajan con una compensación térmica del husillo, para poder trabajar a altas revoluciones durante horas sin que la máquina pierda sus prestaciones ni su precisión.
  • La rigidez de una máquina CNC de alta velocidad, es otro factor importante, ya que los movimientos que se van a realizar en estas máquinas, van a ser a velocidades de avance muy altas. La máquina tiene que ser robusta para poder moverse de forma rápida y garantizar la precisión en cada movimiento.
  • Retroalimentación posicional. La máquina tiene que ser capaz de tener la suficiente aceleración en sus motores, para que pueda moverse de forma rápida y precisa. Si la máquina no es capaz de acelerar de forma rápida y eficiente, no obtendremos los resultados esperados en un mecanizado de alta velocidad.
  • Retención de herramientas. La máquina tiene que ser capaz de cambiar de herramientas en milésimas de segundo, muchos centros de mecanizado de alta velocidad, usan sistemas tipo revolver o sistemas random de alta velocidad. Este es otro factor importante en el mecanizado de alta velocidad.
  • Existen otras características más particulares, en función de la cinemática que tenga la máquina, para poder realizar un mecanizado de alta velocidad.
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Fresado de alta velocidad

 

De momento ya vamos viendo, con toda esta información, que, para realizar un mecanizado de alta velocidad, requiere de un desembolso considerable. Esto es debido, a que se necesitan unas especificaciones técnicas muy concretas, para llegar a los números de un mecanizado de alta velocidad.

Una vez que hemos visto los factores que afectan a las máquinas CNC de alta velocidad, vamos a ver los factores que afectan a la herramienta. A medida que vamos viendo diversos factores, vemos que para realizar un mecanizado de alta velocidad, requiere de unas pautas y unos procesos correctamente definidos. 

Los comentarios que escribíamos al principio de este artículo, sobre las opiniones de otros profesionales sobre el mecanizado de alta velocidad, (yo mismo me incluyo), van cayendo por su propio peso.

Con esta información, vamos viendo que necesitamos muchos requisitos, para llegar a realizar un mecanizado de alta velocidad, pero esto no acaba aquí. Seguimos leyendo.

¿Puedo realizar un mecanizado de alta velocidad, aunque no tenga una máquina CNC con esas especificaciones?

Seguro que te estás haciendo esta pregunta y la respuesta es sí, puedes hacer un mecanizado de alta velocidad con una máquina CNC, que no reúna las características mencionadas en el anterior punto. Como todo en la vida, tiene varios factores que tienes que tener en cuenta. Para que sobre todo dentro del mecanizado de alta velocidad, tengas unos resultados aceptables.

  • Para poder realizar un mecanizado de alta velocidad, con unas velocidades más bajas, únicamente podrás realizar operaciones de desbaste. Para realizar acabados con un mecanizado de alta velocidad, necesitamos como mínimo 20.000 RPM en adelante, según el tipo de material que estemos trabajando.
  • Para la pasada de acabado, utiliza herramientas con tanto dientes o filos de corte, como sea posible.
  • El acabado supone que todas las esquinas interiores han sido desbastadas, por lo que habrá suficiente espacio libre para las virutas.
  • La herramienta de corte, cuantos más filos de corte tenga, más rápido podrá avanzar, para conseguir un volumen de viruta alto. Con ello, obtenemos una productividad mayor. 

Factores clave de las herramientas de corte, para realizar un mecanizado de alta velocidad

Cómo hemos visto en el punto anterior, necesitamos una máquina CNC, con unas especificaciones muy concretas.

Ahora en el caso de las herramientas de corte, también tenemos que atender a diversos factores, para poder realizar un mecanizado de alta velocidad.

El objetivo del mecanizado de alta velocidad, es utilizar altas velocidades para lograr un alto rendimiento de arranque de material. Para lograr esto con éxito, debemos de atender a los siguientes factores

 

  • Usar herramientas dedicadas. Es fundamental disponer de herramientas de desbaste y acabado dedicados para reducir el desgaste de las herramientas entre operaciones separadas.

El mecanizado de alta velocidad implica velocidades de corte extremadamente altas y puede generar temperaturas significativamente elevadas, lo que aumenta el desgaste de las herramientas.

Para mitigar este desgaste y optimizar el rendimiento del mecanizado, es esencial utilizar herramientas diseñadas específicamente para cada etapa del proceso del mecanizado de alta velocidad.

Necesitamos herramientas de desbaste y herramientas de acabado. Las herramientas de desbaste se utilizan para eliminar material rápidamente de la pieza de trabajo en las etapas iniciales del proceso de mecanizado.

Estas herramientas suelen tener geometrías robustas y están diseñadas para soportar cargas más altas. Deben ser capaces de evacuar eficientemente las virutas y disipar el calor generado durante el desbaste.

Por otro lado, las herramientas de acabado se utilizan en etapas posteriores del proceso de desbaste, para lograr tolerancias dimensionales estrechas, superficies de alta calidad y detalles finos en la pieza de trabajo.

Suelen tener geometrías más delicadas y están diseñadas para minimizar el calor y la fricción durante el acabado. La geometría específica de estas herramientas se adapta para producir superficies suaves y precisas.

Al utilizar herramientas de acabado, se garantiza que las piezas cumplen con las especificaciones geométricas y de calidad.

 

Imagen de un mecanizado de alta velocidad

 

Además, tenemos que destacar, que ciertos recubrimientos, como el TiAlN, requieren una temperatura mínima de activación. A esa temperatura, su composición química cambia, el recubrimiento se activa y sólo entonces el recubrimiento hace su trabajo, que es proteger a la herramienta de corte.

Los cambios bruscos de temperatura, afectan al metal duro de la herramienta. Puede agrietarse o astillarse, los fabricantes de herramientas, para aplicaciones en mecanizado de alta velocidad, recomiendan no usar refrigerante, por esta sencilla razón. 

Para el mecanizado de alta velocidad, se eligen herramientas más pequeñas, ya que se mueven más rápido que las herramientas más grandes. Las herramientas pequeñas, permiten una velocidad de avance mayor, ya que tienen mayor libertad de movimiento, frente a las herramientas de mayor diámetro.

Además, las herramientas más pequeñas ahorran cambios de herramientas y facilitan la consecución de eliminar la necesidad de pasadas separadas entre desbaste y acabado.

 

  • Rigidez de herramienta y pieza de trabajo. Tenemos que saber que la herramienta de corte, en el mecanizado de alta velocidad, la estamos llevando al límite, para obtener alta precisión, repetibilidad y un buen acabado superficial.

Tanto las herramientas de corte como los porta herramientas, tienen que ser absolutamente rígidos, para poder aguantar las cargas asociadas al mecanizado de alta velocidad.

  • Herramientas equilibradas. El equilibro de las herramientas es un factor muy importante, sobre todo cuando trabajamos con altas revoluciones (RPM). Los porta herramientas convencionales, pueden trabajar sin problemas a velocidades inferiores a las 8.000 RPM.

Cuándo las velocidades, son más altas, comenzamos a ver problemas de centraje de herramientas y con ello obtenemos una menor vida útil de la herramienta de corte, producido básicamente por las vibraciones.

Muchos portaherramientas en el mecanizado están equilibrados a una velocidad nominal de 10.000 RPM disponibles en el mercado. Los portaherramientas para realizar un mecanizado de alta velocidad, se necesitan portaherramientas, por encima de las 20.000RPM.

Si la herramienta no está correctamente equilibrada, la vibración puede dañar gravemente los cojinetes del husillo de la máquina. También reducirá significativamente la vida útil de la herramienta y le dará un acabado superficial no deseado a la pieza.

Para poder entender lo importante que es tener una herramienta equilibrada en el mecanizado de alta velocidad, Sandvik hizo una prueba muy interesante. 

Dejaron una pequeña pegatina en una herramienta equilibrada e hicieron poner la herramienta a 15.000 RPM, la pegatina hizo desequilibrar la herramienta en más de 1,3kg. Las herramientas de alta velocidad a medida que son más largas, cada vez son más críticas al funcionar a mayores RPM.

  • Precio del equilibrado de herramientas. La razón por la que no todos los talleres equilibran sus herramientas, se debe a dos razones. El equipo para equilibrar herramientas es muy costo y la otra razón es porque, requiere más tiempo para configurar las herramientas.

El equipo de equilibrado tiene un gran abanico de precios. Los modelos básicos que son más lentos para procesar herramientas pueden comenzar en alrededor de 10.000 euros para algo que todavía es de marca.

A partir de ahí, se puede pagar más de 60.000 euros por algo más automático. Además de ese gasto inicial, lleva tiempo equilibrar las herramientas. Cada vez que colocamos una fresa nueva en el portaherramientas, necesitamos volver a equilibrarla. Esto significa inmovilizar personal y tener máquinas paradas.

  • Cono de herramienta. La conexión entre el portaherramientas y el husillo de la máquina, es fundamental en el mecanizado de alta velocidad. En el mercado tenemos diferentes conos. HSK, BT, SK, CAT. Para el mecanizado de alta velocidad el cono HSK, se ha considerado durante muchos años el estándar de oro, para este tipo de aplicaciones.

El cono HSK, funciona según un principio muy interesante. Cuando se deforma ligeramente el porta herramientas al sujetarlo, la conexión tiende a tener propiedades de amortiguación de vibraciones.

Las herramientas HSK se sujetan desde el interior y la presión de sujeción dobla ligeramente el metal. El resultado es una conexión increíblemente rígida que amortigua las vibraciones. La conexión HSK es hasta 5 veces más rígida que las conexiones cónicas comunes, como CAT, BT o SK.

  • Portaherramientas. El portaherramientas, es otro factor clave en el mecanizado de alta velocidad. Como ya sabemos muchos profesionales, que nos dedicamos al mecanizado, sabemos que los conos tienen un formato DIN.

Los formatos DIN, generan ajustes más precisos y una conexión más sólida. Los porta herramientas de doble contacto, tanto en la brida como en el cono, como los populares sistemas Big Plus del fabricante Big Kaiser, son recomendables para el mecanizado de alta velocidad.

Los portaherramientas tipo Weldon estándar no son adecuados para el mecanizado de alta velocidad. Las pinzas ER, tampoco son adecuados ya que ambos sistemas, permiten demasiadas vibraciones para el mecanizado de alta velocidad.

Por otro lado, los portaherramientas hidráulicos y térmicos funcionan muy bien para el mecanizado de alta velocidad. Ambos sistemas, amortiguan las vibraciones y sujetan la herramienta con gran precisión. Además de estos sistemas, hay otros sistemas de portaherramientas efectivos para el mecanizado de alta velocidad, como los sistemas Duo-Lock de Haimer.

  • Mantener limpia la zona de corte. El fresado de alta velocidad, genera virutas más rápido que el fresado convencional. Se recomienda el uso de refrigerante de niebla/aceite o aire. Taladrina solo cuando sea necesario, para eliminar las virutas y depositarlas lejos de la zona de corte.

 

  • Prueba de armónicos de herramientas. La prueba de armónicos en herramientas de mecanizado de alta velocidad, es un proceso importante para garantizar la calidad y la eficiencia de las operaciones de mecanizado. Los armónicos en este contexto, se refieren a las vibraciones no deseadas o resonancias, que pueden ocurrir cuando se utilizan herramientas de corte a altas velocidades.
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Para medir las vibraciones, se usan acelerómetros que registran las vibraciones de la herramienta, durante la operación de mecanizado. Después se analizan los datos obtenidos, para identificar cualquier patrón o frecuencia de resonancia.

 

Imagen de vibración en un proceso de fresado
Imagen de vibración en un proceso de fresado

 

Los armónicos, son vibraciones a una frecuencia específica, que pueden afectar tanto a la calidad de la pieza mecanizada, cómo a la herramienta de corte.

Si se detectarán armónicos no deseados, sería necesario realizar ajustes en la velocidad de corte, la alimentación y la profundidad de corte. Además, se puede considerar cambiar la geometría de la herramienta o utilizar un porta herramientas de amortiguación de vibraciones.

Para dar con los parámetros exactos, es necesario realizar pruebas de corte, con las herramientas ajustadas y optimizadas. Volveremos a medir las vibraciones, para asegurarnos, de que se hayan eliminado o reducido los armónicos no deseados.

Después, el siguiente paso, es verificar la calidad de la pieza mecanizada y asegurarnos que cumple con sus tolerancias geométricas y con su acabado superficial.

La prueba de armónicos es esencial para garantizar un mecanizado de alta velocidad preciso y eficiente, ya que ayuda a prevenir problemas como la vibración excesiva, el desgaste prematuro de la herramienta y la mala calidad de las piezas mecanizadas.

 

  • Carga de herramienta controlada. Controlar la carga de la herramienta en el mecanizado de alta velocidad, es esencial para garantizar la seguridad de los operadores, prolongar la vida útil de las herramientas y obtener piezas de alta calidad.  Podemos decir que es un resumen de todas las fases anteriormente mencionadas, más las que te contamos ahora.

Usar una velocidad de corte óptima, para determinar la velocidad de corte adecuada. El cálculo de esta velocidad debe considerar la relación entre la velocidad de rotación de la herramienta y la velocidad de avance de la pieza. Una velocidad de corte inadecuada puede generar cargas excesivas en la herramienta, en el mecanizado de alta velocidad.

Ajustar adecuadamente la velocidad de avance y la profundidad de corte es esencial para controlar la carga de la herramienta. Un avance incorrecto puede generar fuerzas excesivas que pueden dañar la herramienta y la pieza de trabajo en el mecanizado de alta velocidad.

Utilizar sistemas de monitorización en tiempo real para controlar las fuerzas de corte y las temperaturas durante el proceso de mecanizado de alta velocidad. Esto permite ajustes inmediatos en caso de que las cargas superen los límites seguros.

Incluso con una herramienta equilibrada que haya sido probada y verificada, puede obtener vibraciones extremas. Si la carga de corte de la herramienta varía constantemente mientras está mecanizando, puedes tener grandes problemas con las vibraciones.

Esto es realmente un problema en las curvas cerradas en los contornos de una pieza. Con una trayectoria lineal estándar, la herramienta de corte, tendrá un compromiso radial realmente alto a medida que la herramienta va mecanizando hacia una esquina. Por norma general, el contacto de la herramienta de corte se duplica en las esquinas. El exceso de contacto, provoca vibraciones, acorta la vida útil de la herramienta y daña la pieza por las vibraciones.

Más allá de las esquinas, hay que tener cuidado con las entradas y salidas de la herramienta de corte sobre el material. Si se utiliza una entrada en línea recta, se produce un gran impacto en la herramienta. Si hablamos de números, comparándolo con el mecanizado convencional, una entrada en línea recta a 700mm/min, comparándolo con una entrada en línea recta, en un mecanizado de alta velocidad, a una velocidad de avance de 20.000mm/min, podemos ver qué la diferencia es más que notable. 

Una solución para solucionar, estos impactos, es realizar entradas tangenciales sobre el material. Ayuda mucho a suavizar golpes y cargas de la herramienta de corte sobre el material. El fresado trocoidal, es recomendable para áreas estrechas, como esquinas y cavidades.

 

  • Adelgazamiento radial de virutas. El adelgazamiento radial de la viruta se refiere a cuando la cantidad de material que corta la fresa es menor que la mitad de su tamaño. Esto es un factor importante en el mecanizado de alta velocidad.

Por ejemplo, si tenemos una fresa de 4 labios y 12mm de diámetro y la estamos moviendo a una velocidad de avance de 0,25mm por diente con un paso de profundidad (Ap) de 6mm o más, la viruta que se forma, tendrá un grosor de 0,25mm, que es igual a la velocidad de avance por diente. 

Para comprender mejor que es el adelgazamiento de viruta, os dejamos la siguiente imagen dónde se ve de una forma más rápida.

 

Imagen de las diferencias del espesor de viruta, con diferentes estrategias de mecanizado
Imagen de las diferencias del espesor de viruta, con diferentes estrategias de mecanizado

 

El adelgazamiento de las virutas, trae beneficios considerables, para el mecanizado de alta velocidad. El mecanizado de materiales duros, como el inconel, monel, hastelloy o el titanio entre otras superaleaciones. El adelgazamiento de virutas, permite dispersar el calor de forma rápida. Al eliminar la viruta de forma rápida de la zona de corte, la pieza absorbe menos calor generado por la viruta.

En el mecanizado de alta velocidad se genera mucho calor, todo lo que ayude a eliminar calor de la zona de corte, será de gran ayuda al mecanizado de alta velocidad.

Esto es de gran ventaja para materiales como el aluminio, ya que si mecanizamos con muchas revoluciones, obtendremos un trabajo muy pasteloso, pudiendo a llegar a derretir el material.

En el caso de los materiales como el titanio, el acero inoxidable o el inconel, son materiales que se endurecen con la alta temperatura provocada, por el mecanizado de alta velocidad. Si no conseguimos eliminar las virutas, de la pieza de forma rápida. El material se endurece y podemos romper la herramienta.

La herramienta se rompe, porque la herramienta durante el mecanizado de alta velocidad, creará una zona de material digamos «templado» y el resto de la pieza se mantendrá con sus características  propias de forma natural. Al tener dos materiales distintos, con unas mismas condiciones de corte para ambos materiales, tenemos un mecanizado interrumpido e inestable. Esto nos provocará la rotura de la herramienta de corte. 

  • Comprensión del material. Tenemos que entender que el mecanizado de alta velocidad, no funciona de la misma forma para diferentes materiales. No tenemos una estrategia estándar o unas velocidades que nos indique el fabricante. Nos tenemos que familiarizar con diferentes materiales, ver qué condiciones son las más adecuadas para ese material, etc. 

Como hemos visto, hay muchos factores que afectan al mecanizado de alta velocidad, asique la mejor solución, es ser conservadores y después ir optimizando el proceso.

En el mecanizado de alta velocidad, no tenemos unas velocidades de corte estándar, como informan muchos fabricantes para los mecanizados convencionales. En el mecanizado de alta velocidad, es necesaria hacer pruebas, estudiar cada caso, hacer números, etc. Para saber cuál es el punto idóneo de eficiencia y productividad.

Para entender un poco también de que va el mecanizado de alta velocidad, las herramientas de corte, las tenemos que analizar por la cantidad de volumen de viruta que puede extraer. Con esto quiero decir, que no es cuestión, ni del número de piezas, ni de horas de mecanizado. La tasa de volumen de viruta nos va a indicar la rentabilidad del proceso. 

Ya hemos visto los factores que afectan tanto a la máquina CNC, como a la herramienta de corte, pero nos falta la parte más fundamental del mecanizado de alta velocidad. Su programación.

Factores clave en la programación CAM, para realizar un mecanizado de alta velocidad

La programación CAM es sin duda uno de los aspectos más importantes en el mecanizado de alta velocidad. Las estrategias de alta velocidad, gracias a sus principales ventajas, frente al mecanizado convencional, ha despertado nuevas estrategias, cada vez más eficientes y productivas.

Inicialmente, el mundo CAM quería resolver el mecanizado de alta velocidad, tomando las trayectorias con las que comenzaron y utilizar dichas técnicas para eliminar sus puntos débiles.

Pero al poco tiempo, la gente empezó a pensar en trayectorias que fueran capaces de no crear esquinas. Se tuvieron que crear estrategias completamente nuevas.

Estas son las trayectorias de ángulo de compromiso de herramienta constante que tienen muchas marcas como Volumill, Dynamic Milling o Adaptive Milling.

 

Imagen de la trayectoria de la herramienta, en un fresado de alta velocidad. Programado mediante Software CAM
Imagen de la trayectoria de la herramienta, en un fresado de alta velocidad. Programado mediante Software CAM

 

Las trayectorias de ángulo de compromiso, hacen referencia al ángulo formado entre la dirección de avance de la herramienta y la superficie de la pieza de trabajo que está siendo mecanizada.

Todos los softwares CAM, de primeras marcas, hoy en día crean elaboradas trayectorias de herramientas en bucle, donde la herramienta se desvía de la zona de corte justo a tiempo, para evitar sobrecalentamientos en la zona de corte.

A pesar de que incorporen estas estrategias, tenemos que tener en cuenta todos los factores mencionados anteriormente, en este artículo. Las esquinas de los contornos son un problema para el fresado de alta velocidad. Tenemos que tenerlo en mente durante la programación CAM, para tener un resultado exitoso.

 

Imagen del material resultante que puede quedar, utilizando fresas de diferentes diámetros en el mecanizado de alta velocidad. En esta imagen, podemos ver perfectamente, porque se recomienda fresas de díametro pequeño, para realizar un mecanizado de alta velocidad.
Imagen del material resultante que puede quedar, utilizando fresas de diferentes diámetros en el mecanizado de alta velocidad. En esta imagen, podemos ver perfectamente, porque se recomienda fresas de díametro pequeño, para realizar un mecanizado de alta velocidad.

 

Las estrategias de alta velocidad en los sistemas CAD/CAM en sus inicios, se centró principalmente en la industria del molde, a día de hoy, se ha vuelto mucho más frecuente y está presente en todas las áreas del ámbito de la fabricación.

Además, de eliminar eficientemente grandes cantidades de material muy rápidamente, la tecnología ha demostrado ser bastante efectiva también para mecanizar elementos de paredes delgadas.

Aunque la máquina herramienta en sí debe ser lo suficientemente robusta y bien equipada para el mecanizado a alta velocidad, la verdadera magia reside en la trayectoria generada por los avanzados paquetes de software CAM actuales. 

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  • La capacidad de producir una trayectoria de corte con una carga de viruta constante, especialmente en las esquinas, es realmente el ingrediente secreto de todo el proceso. 
  • La optimización de la velocidad de avance es un aspecto importante para acortar el tiempo en un mecanizado de alta velocidad.  Permite aumentar el potencial tanto de la máquina como de la herramienta de corte, para obtener un mecanizado eficiente. El sistema de mecanizado autónomo y las estrategias de optimización predicen y mejoran el rendimiento de las operaciones de fresado. 

El proceso de mecanizado se simula y se analiza en un marco de mecanizado virtual, para extraer las condiciones de corte adecuadas, entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo.

La fuerza de corte a lo largo de la segmentación de corte se evalúa basándose en las leyes de la mecánica del fresado. 

En la simulación, se utiliza un esquema de optimización, basado en restricciones, para maximizar la fuerza de corte, calculando niveles de velocidad de avance aceptables como estrategia de optimización. El algoritmo inteligente se integró en el sistema de mecanizado autónomo para modificar el programa CNC y adaptarlo a estos nuevos valores de avance.

  • Tener el control de la trayectoria de la herramienta, que con cada pasada axial (Ap), mantenga el mismo (Ae) mantiendo un espesor de viruta constante.

Permiten unos parámetros de corte muy altos, llevando la herramienta a un nivel productivo, mucho mayor respecto al mecanizado convencional.

  • Un factor importante, es que el software CAM, disponga de un avance controlado en las esquinas, para que la herramienta no alcance una elevada temperatura, no tenga vibraciones y no tenga un mayor contacto con la pieza. 

 

  • Aunque el sistema CAD/CAM tenga estrategias de mecanizado de alta velocidad, si no seguimos el resto de factores que afectan tanto a la máquina CNC, como a la herramienta, nuestro trabajo no dará sus frutos.

 

  • El mecanizado de alta velocidad puede suponer un tiempo mucho mayor en la práctica de lo que indica el CAD/CAM. Esto es debido a que las propiedades físicas de la máquina no se acercan a las características necesarias, para realizar un mecanizado de alta velocidad.

 

  • El programa CAM, si tiene un error cordal muy pequeño, la herramienta no tendrá suficiente espacio entre los puntos de la trayectoria, para poder acelerar y llegar a la velocidad de avance deseada, en un mecanizado de alta velocidad.

Esto puede sonar demasiado técnico, para aquellos que no sepan de lo que estamos hablando. Para que puedas entenderlo de una forma más simple, en un mecanizado de alta velocidad, si estamos haciendo un desbaste, la diferencia está, entre que un contorno nos quede con unas formas «poligonales» en vez de con formas «redondeadas», nos puede permitir alcanzar una velocidad de avance mucho mayor, en un mecanizado de alta velocidad.

Referente al error cordal, los softwares CAD/CAM lo pueden llamar de diferentes formas, en el caso de Siemens NX, que es el que usamos. El error cordal, marca una tolerancia exterior y una tolerancia interior, dependiendo del tipo de contorno que queremos hacer, tenemos que ajustar estos parámetros, para poder llegar a una velocidad de avance mayor entre los puntos de las trayectorias.

Podemos decir que es un contorno definido por menos puntos, en los que perdemos precisión, a cambio de poder ganar una mayor velocidad de avance, para tener una mayor rentabilidad en las operaciones de desbaste.

 

Imagen fresado HSM

 

  • Hoy en día también con estos softwares, ayudan mucho en el mecanizado de alta velocidad y permiten personalizar prácticamente todos los parámetros. 

Diferencias entre el mecanizado convencional y el mecanizado de alta velocidad

El mecanizado convencional tiene muchas diferencias, con el mecanizado de alta velocidad en muchos aspectos.

  • En el mecanizado convencional, el tiempo de contacto entre la herramienta de corte y el material, es mucho mayor que en el mecanizado de alta velocidad.
  • El mecanizado convencional implica una fuerza y una potencia de corte mucho mayor, que el mecanizado de alta velocidad.
  • El mecanizado de alta velocidad, se puede aplicar en muchas máquinas CNC, «aunque no consigamos unos resultados equiparables, a las máquinas CNC específicas de alta velocidad». Esto ayuda a poder implementarlo en más máquinas CNC y no requerimos de una máquina realmente potente para poder realizar un mecanizado de alta velocidad.
  • Un aspecto importante a destacar, es que en el mecanizado convencional normalmente dará lugar a una pieza de trabajo menos precisa y a un acabado superficial inferior al que se podría lograr mediante el mecanizado de alta velocidad.
  • Otra diferencia importante, asociada con el mecanizado de alta velocidad, es que la tasa de eliminación de material es mucho mayor, en comparación con el mecanizado convencional.
  • La trayectoria de la herramienta en un mecanizado convencional, sigue un patrón como si fuera una pista de atletismo. El proceso en sí, carece de los parámetros de control necesarios, para obtener un mayor rendimiento en el mecanizado.
  • La falta de control es un problema grave en el mecanizado convencional, principalmente, por la cantidad de material que se acumula en las esquinas. Afecta negativamente a la herramienta de corte y a la calidad de la pieza. Aparecerán vibraciones, ya que tendremos un mayor contacto y no tendremos un control del volumen de viruta extraído.

Debido al aumento de las fuerzas lineales y la tensión en la herramienta de corte, se deben reducir la profundidad de corte, las RPM y la velocidad de avance. Debemos hacer esto, ya que tenemos una mayor fricción, necesitaremos usar refrigerante, para tener un buen resultado. 

Además de la acumulación de calor causada por esta fricción, el exceso de contacto, entre la herramienta y la pieza, provocará un desgaste extremo de la herramienta y de su vida útil. Aspectos que podríamos solventar, con las prácticas de mecanizado de alta velocidad.

 

Imagen de las propiedades generales del mecanizado de alta velocidad
Imagen de las propiedades generales del mecanizado de alta velocidad

Desafíos en el mecanizado de alta velocidad

Cómo hemos visto anteriormente, en este artículo el mecanizado de alta velocidad, no es fácil realizarlo y hay que tener en cuenta muchos factores, para obtener unos buenos números en lo que ha productividad se refiere.

Vamos a enumerar los principales desafíos, a los que se enfrenta el mecanizado de alta velocidad con el mecanizado convencional. Para terminar este artículo sobre el mecanizado de alta velocidad.

  1. Vibraciones durante el mecanizado. A medida que las velocidades de corte aumentan, las vibraciones pueden volverse un problema significativo. Estas vibraciones pueden afectar la calidad de la superficie de las piezas mecanizadas y acortar la vida útil de las herramientas. Controlar y minimizar las vibraciones es un desafío constante en el mecanizado de alta velocidad.

  2. Controlar de la temperatura del mecanizado. Las altas velocidades de corte generan una mayor cantidad de calor en la zona de mecanizado. El control de la temperatura es esencial para evitar el sobrecalentamiento de las herramientas y la pieza de trabajo, lo que podría resultar en deformaciones de material, daños en la máquina CNC o rotura de herramientas.

  3. Desgaste de la herramienta en el mecanizado de alta velocidad. Si no realizamos correctamente unos cálculos precisos de la velocidad de corte, podemos conseguir que la herramienta de corte se desgaste n cuestión de segundos. Para evitar esto, es recomendable usar herramientas adecuadas y aplicar los recubrimientos de herramientas apropiados son desafíos importantes para garantizar una vida útil de la herramienta suficientemente larga.

  4. Tolerancias y precisión en el mecanizado de alta velocidad. Las altas velocidades pueden afectar la precisión y las tolerancias dimensionales de las piezas mecanizadas. Mantener la precisión requerida es un desafío, y esto a menudo requiere tecnologías avanzadas de control, compensación avanzadas y máquinas CNC específicas para este tipo de mecanizado.

  5. Programación CAM. La programación CAM, como ya hemos hablado, es un desafío para el mecanizado de alta velocidad. Se deben considerar múltiples factores, como velocidades de corte, avances y trayectorias de herramienta. La optimización de la programación es un desafío constante.

  6. Dinámica de la máquina. Las máquinas herramienta utilizadas en el mecanizado de alta velocidad deben ser capaces de soportar las altas aceleraciones y velocidades. Esto puede requerir máquinas de alta precisión y rigidez, lo que puede aumentar el precio de la inversión.

  7. Selección de materiales. No todos los materiales son adecuados para el mecanizado de alta velocidad. La elección de los materiales adecuados es un desafío importante para garantizar la calidad y la eficiencia del proceso de mecanizado.

  8. Costos iniciales. Implementar el mecanizado de alta velocidad puede requerir inversiones significativas en herramientas, máquinas y tecnología. Los costos iniciales pueden ser un desafío para muchas empresas, ya que este tipo de mecanizado, requiere de muchos factores para realizarlo con éxito.

  9. Formación y habilidades. El personal que opera las máquinas y programa el mecanizado de alta velocidad debe recibir formación especializada. Este es uno de los principales desafíos, con los que se encuentra en la industria.  Desarrollar y mantener las habilidades necesarias para el mecanizado de alta velocidad, es un desafío continuo.

Resumen

Bueno como veis el mecanizado de alta velocidad, es un desafío en sí mismo desde principio a fin. Con este artículo sobre formación técnica en el mecanizado de alta velocidad, hemos aprendido nuevos conceptos, cuáles fueron sus inicios y que aspectos tenemos que tener en cuenta para poder realizar un mecanizado de alta velocidad.

Creo que este articulo será de gran ayuda para muchos profesionales del mecanizado ya que todo esto no se enseña en ingenierías, ni en centros de formación profesional. Si tienes experiencia en este tipo de mecanizado, te invitamos a que escribas un comentario con tu propia experiencia. Recuerda que siempre todos tenemos algo que aprender y algo que enseñar, nos vemos en la próxima compañeros.

 

 

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