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Teoría de mecanizado

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Teoría de mecanizado Autor: David Alcañiz Martinez D.L.:

Z-918-2017

ISBN: 978-84-16951-45-1

Imprime: El depositario, con autorización expresa de SEAS

Teoría de mecanizado

ÍNDICE GENERAL 1.  Tipos de máquina-herramienta............................................................................................................ 7 ÍNDICE........................................................................................................................ 9 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 12 1.1.  Principios básicos de mecanizado....................................................................................................................... 13 1.2.  La máquina-herramienta...................................................................................................................................... 16 1.3.  El torno................................................................................................................................................................... 17 1.4.  La fresadora........................................................................................................................................................... 38 1.5.  La mandrinadora................................................................................................................................................... 50 1.6.  La taladradora....................................................................................................................................................... 53 1.7.  Otras máquinas-herramientas por arranque de viruta....................................................................................... 60

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 67

2.  Estructura de la máquina-herramienta...................................................................................... 69 ÍNDICE....................................................................................................................... 71 OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 73 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 74 2.1.  Estructura básica de una máquina-herramienta................................................................................................ 75 2.2.  Elementos concretos de una máquina-herramienta........................................................................................ 102

RESUMEN................................................................................................................................................................... 157

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Índice General

3.  Herramientas de corte.......................................................................................................................... 159 ÍNDICE..................................................................................................................... 161 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 163 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 164 3.1.  Las herramientas de corte.................................................................................................................................. 165 3.2.  El material de fabricación de la herramienta.................................................................................................... 175 3.3.  Los portaherramientas........................................................................................................................................ 186 3.4.  El desgaste de la herramienta............................................................................................................................ 203 3.5.  La maquinabilidad de los materiales................................................................................................................. 206 3.6.  Los datos de corte............................................................................................................................................... 213

RESUMEN................................................................................................................................................................... 239

4.  Operaciones de mecanizado en el torno.................................................................................. 241 ÍNDICE..................................................................................................................... 243 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 245 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 246 4.1.  Operaciones básicas de torneado ..................................................................................................................... 247 4.2.  El ranurado y el tronzado.................................................................................................................................... 259 4.3.  El roscado en el torno......................................................................................................................................... 266 4.4.  El moleteado........................................................................................................................................................ 283 4.5.  El punteado y el taladrado.................................................................................................................................. 285 4.6.  Tiempos de mecanizado..................................................................................................................................... 288

RESUMEN................................................................................................................................................................... 293

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5.  Operaciones de mecanizado en la fresadora........................................................................ 295 ÍNDICE..................................................................................................................... 297 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 299 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 300 5.1.  Operaciones de fresado...................................................................................................................................... 301 5.2.  Tiempos de mecanizado en el fresado.............................................................................................................. 341 5.3.  Utillajes de amarre.............................................................................................................................................. 343

RESUMEN................................................................................................................................................................... 351

6.  Operaciones de mecanizado de taladrado y afines......................................................... 353 ÍNDICE..................................................................................................................... 355 OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 357 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 358 6.1.  Operaciones básicas de taladrado y afines ...................................................................................................... 359 6.2.  El Taladrado......................................................................................................................................................... 360 6.3.  El escariado......................................................................................................................................................... 378 6.4.  El roscado............................................................................................................................................................ 384 6.5.  El mandrinado..................................................................................................................................................... 396

RESUMEN................................................................................................................................................................... 403

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1 UNIDAD DIDÁCTICA

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Teoría de mecanizado

1.  Tipos de máquina-herramienta

1. Tipos de máquina-herramienta

ÍNDICE OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 11 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 12 1.1.  Principios básicos de mecanizado....................................................................................................................... 13 1.2.  La máquina-herramienta...................................................................................................................................... 16 1.3.  El torno................................................................................................................................................................... 17 1.3.1.  Torno paralelo....................................................................................................................................................... 19 1.3.2.  Torno revólver....................................................................................................................................................... 21 1.3.3.  Torno copiador...................................................................................................................................................... 26 1.3.4.  Torno al aire......................................................................................................................................................... 29 1.3.5.  Torno vertical........................................................................................................................................................ 30 1.3.6.  Otros tornos......................................................................................................................................................... 32 1.3.7.  Tornos gobernados mediante CNC........................................................................................................................... 32 1.4.  La fresadora........................................................................................................................................................... 38 1.4.1.  Fresadora de columna fija....................................................................................................................................... 39 1.4.2.  Fresadora de columna móvil................................................................................................................................... 41 1.4.3.  Fresadora universal................................................................................................................................................ 42 1.4.4.  Fresadora de pórtico.............................................................................................................................................. 43 1.4.5.  Fresadora de puente móvil..................................................................................................................................... 44 1.4.6.  Fresadoras gobernadas mediante CNC..................................................................................................................... 44 1.5.  La mandrinadora................................................................................................................................................... 50 1.5.1.  ¿Pero qué es una operación de mandrinado concretamente?...................................................................................... 51 1.6.  La taladradora....................................................................................................................................................... 53 1.6.1.  Taladradora de sobremesa...................................................................................................................................... 53 1.6.2.  Taladradora de columna......................................................................................................................................... 54 1.6.3.  Taladradora radial.................................................................................................................................................. 55 1.6.4.  Otras taladradoras................................................................................................................................................. 57 1.7.  Otras máquinas-herramientas por arranque de viruta....................................................................................... 60

RESUMEN..................................................................................................................................................................... 67

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1. Tipos de máquina-herramienta

OBJETIVOS ■ ■ ■

Conocer los principales tipos de máquinas-herramientas empleadas para los diferentes procesos de mecanizado mediante arranque de viruta. Conocer los diferentes variantes que pueden encontrarse dentro de las máquinasherramientas comentadas anteriormente. Conocer el léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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INTRODUCCIÓN

Si analizamos con detenimiento los múltiples modos de tratamiento de los productos brutos hasta convertirlos en elaborados, nos percataremos en seguida que resultaría prácticamente imposible condensar todos los conocimientos necesarios en unos pocos temas.

Independientemente de si se trata de talleres de fabricación en serie, de mantenimiento o de mecánica en general, es fácilmente constatable el elevado número de empresas dedicadas a tales menesteres, por lo que resulta especialmente recomendable para De igual modo, el área que nos ocupa resulta el alumno impregnarse de la mayor cantidad de especialmente amplia debido a que, a pesar del elevado conocimientos posibles al respecto. número de máquinas y herramientas empleadas para Parte de las unidades temáticas de esta asignatura dichos fines, las máquinas-herramientas aquí tratadas podrían haberse planteado en un tema conjunto, son las de mayor uso. pero debido a la extensión de los contenidos, se ha optado por dividirlo en temas diferenciados a fin de hacer su estudio más proporcionado. Precisamente por ello centraremos esta unidad en el conocimiento de las diferentes tipos de máquinas-herramientas de arranque de viruta.

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1. Tipos de máquina-herramienta

1.1.  Principios básicos de mecanizado Antes de profundizar en las máquinas-herramientas empleadas en las diferentes técnicas de mecanizado de arranque de viruta, nuestro primer objetivo ha de ser localizar dichas técnicas dentro de los procedimientos productivos en general, definidos concretamente en la norma DIN 8580. Conviene ir clasificando y localizando dichos procedimientos dentro de la totalidad.

Figura 1.1.  Procedimientos productivos.

Repasemos brevemente en qué consisten dichos procedimientos: ■■ Moldeado: los procesos de moldeado consisten básicamente en los procesos de generación de cuerpos sólidos a través de diferentes técnicas de fundición. ■■ Deformación: los procesos de deformación consisten en cambiar la forma de un determinado cuerpo gracias a fuerzas de deformación, independientemente de si se trabaja en frío o en caliente. Entre dichos procesos se agrupan procedimientos como el doblado de tubos o el laminado. ■■ Revestimiento: los procesos de revestimiento consisten en la incorporación de una capa de material adherente a la superficie del cuerpo tratado, es decir, recubrir dicha superficie. Entre dichos procesos encontramos procedimientos tan conocidos como el pintado, imprimado, barnizado, cromado, esmaltado, etc. ■■ Caracterización: los procesos de caracterización de una pieza consisten en el cambio de propiedades del material de la pieza tras su mecanizado, mediante procedimientos como el templado, recocido, revenido, etc. En numerosas ocasiones consistentes en la aplicación controlada del calor sobre la superficie o la totalidad de dichos cuerpos.

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■■ Unión: los procesos de unión, tal y como indica su nombre, están destinados a la unión física de dos o más cuerpos. Entre los procedimientos de unión de piezas más conocidos cabe citar el remachado, atornillado o cualquiera de los diferentes procedimientos de soldadura. ■■ Separación: los procesos de separación consisten en el arranque de parte de material de una pieza mediante el uso de herramientas adecuadas. Dentro de este grupo se encuentra un amplio abanico de procedimientos, entre los que podríamos citar los de torneado, fresado, taladrado, rectificado, esmerilado, granallado, etc. Es precisamente este último grupo el que va a acaparar nuestra atención, por lo que vamos a realizar una segunda clasificación de procedimientos a fin de determinar los que pueden englobarse dentro de este importante grupo.

Figura 1.2.  Procedimientos de separación.

Como es lógico, la fabricación de una pieza consiste habitualmente en la acumulación sucesiva de varios de estos procedimientos, y raramente suele poder darse por manufacturada una pieza tras una única operación.

A modo de ejemplo, pensemos por un momento en la mecanización de un cuerpo de fundición, que deberá verse precedida de una fase de limpieza y que deberá incorporar una serie de tratamientos y revestimientos que la hagan apta para su uso posterior, todo ello sin entrar a considerar su verificación y comprobación final.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Antes de centrarnos en el mecanizado con filo de corte, definiremos en unas pocas líneas en qué consisten los procedimientos enumerados anteriormente: ■■ Limpieza: los procedimientos de limpieza tienen como fin eliminar impurezas o residuos no deseados de las superficies de una pieza, y suelen ser procesos previos a otros procesos de mecanizado. El ejemplo más sencillo consistiría en el rasqueteado de una superficie, aunque también puede servir como tal un proceso conocido como granallado, consistente en lanzar un chorro de arena a presión sobre la superficie de la pieza para eliminar el óxido, cascarilla, incrustaciones y otras impurezas no deseadas. ■■ Disociación: los procedimientos de disociación consisten en la eliminación progresiva de partículas de la superficie de la pieza mediante diferentes procedimientos, siendo los procesos de electroerosión unos de los más conocidos y utilizados en la industria moderna. ■■ Mecanizado con herramienta de filo de corte determinado: en este caso, la eliminación del material se realiza con la ayuda de herramientas de corte provistas de uno o más filos perfectamente definidos. En este gran grupo puede englobarse los procesos asociados habitualmente al concepto de mecanización, como los de torneado, fresado y taladrado, donde se produce un arranque manifiesto de viruta. ■■ Mecanizado con herramienta sin filo de corte determinado: en este otro caso la eliminación del material se realiza con herramientas sin un filo de corte definido, como pudiese ser, por ejemplo, una muela abrasiva destinada al rectificado de piezas o el afilado de herramientas. ■■ Otros: existen otros procedimientos más específicos de eliminación de material, entre los que se podrían englobar procesos como el corte de chapa por láser, por plasma, agua a presión, etc. En esta unidad vamos a realizar un estudio pormenorizado de las máquinas-herramienta de uso más frecuente, por no decir imprescindible, en un taller de mecanizado o de mantenimiento. En una unidad posterior se analizará el tipo de operaciones a realizar por este tipo de máquinas.

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1.2.  La máquina-herramienta Como ya comentamos con anterioridad, en esta unidad nos centraremos en realizar un estudio de las máquinas-herramienta más habituales destinadas a trabajar con herramientas con arranque de viruta (con uno o más filos de corte determinados). Dentro de sus numerosísimas variantes, se ha optado por simplificar y agrupar dichas máquinas en una serie de grandes grupos. Además, se explicarán las diferentes familias que encontraremos dentro de grupos. Veamos a continuación cuáles son dichas máquinas: ■■ Tornos. ■■ Fresadoras. ■■ Mandrinadoras. ■■ Taladradoras. ■■ Otras máquinas. No obstante existen numerosas máquinas-herramienta similares o que simplemente consisten en variantes de las anteriormente citadas, entre las que podríamos englobar trepanadoras, brochadoras, mortajadoras y un largo etcétera (en una unidad posterior se realizará una breve definición de los procesos asociados a dichas máquinas).

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1. Tipos de máquina-herramienta

1.3.  El torno Aunque las operaciones de torneado se realizan ya desde tiempos lejanos –para alfarería y carpintería fundamentalmente-, no será hasta la Revolución Industrial cuando se produce la aparición de los tornos mecánicos tal como los conocemos hoy día, y la verdadera expansión de este tipo de mecanización. El torno es una máquina-herramienta empleada en el mecanizado exterior y/o interior de cuerpos de revolución. El torneado de piezas es un proceso resultante de la combinación de dos movimientos: el giro de la pieza a mecanizar, y los movimientos longitudinales o transversales de una herramienta de corte. Dentro de dichos procesos se incluyen los realizados por herramientas específicas para torneado, pero también otros realizables en otros máquinas como taladrados y roscados. Básicamente, la pieza se fija en el plato del torno, lográndose el movimiento de corte girando sobre su eje y con la herramienta de corte realiza el movimiento de avance para ir eliminando el material donde sea necesario. 

El torno es una máquina-herramienta empleada en el mecanizado de cuerpos de revolución. El torneado de piezas es un proceso resultante de la combinación de dos movimientos: el giro de la pieza a mecanizar, y los movimientos longitudinales o transversales de una herramienta de corte.

Dentro del cómputo de mecanizados realizados, el torneado es un proceso frecuente, por lo que existentes tipos diferenciados de tornos: las operaciones a realizar resultan más económicas que las de fresado, por lo que se utilizan con frecuencia, y además se fabrican numerosos tornos especializados en tareas muy concretas. Es fácil de utilizar, y sus herramientas se preparan en un tiempo muy breve y de manera bastante sencilla.

Figura 1.3.  Operaria de torno CNC verificando una pieza. Foto: EMCO.

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Por el motivo expuesto anteriormente, el criterio de clasificación de estas máquinas también es muy elevado, pero puede sintetizarse en los descritos a continuación. En cualquier caso, muchos de los tornos que se describirán pueden ser gobernados mediante autómatas (máquinas-herramientas CNC o de Control Numérico Computerizado), por lo que se concretará esta particularidad convenientemente en un apartado separado. Como se ha comentado, en las operaciones de torneado es la pieza a mecanizar la que gira mientras la herramienta de corte avanza en una dirección determinada. Por consiguiente, el torno es una máquina-herramienta destinada básicamente al mecanizado de piezas de revolución, donde es la pieza el elemento revolucionado. Para llevar a cabo el mecanizado, el torno incluye los siguientes movimientos: ■■ Giro de la pieza, a diferentes velocidades. La pieza a mecanizar se hallará amarrada mediante el sistema de fijación adecuado (plato de perros o garras, plato liso, pinza, etc). ■■ Movimiento de la herramienta, en dirección longitudinal y/o radial. A modo de ejemplo, en la imagen anterior puede verse una representación de operaciones de torneado exterior e interior muy frecuentes.

Figura 1.4.  Plato de amarre sujetando pieza para su torneado. Fuente: EXPERTOOL.

Aunque siempre con matizaciones, la clasificación de los tornos podría resumirse en los siguientes subgrupos: ■■ Torno paralelo. ■■ Torno revólver. ■■ Torno copiador.

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1. Tipos de máquina-herramienta

■■ Torno al aire. ■■ Torno vertical. ■■ Otros.

1.3.1.  Torno paralelo El torno paralelo se utiliza para la producción de piezas diversas, generalmente en series no demasiado elevadas, por lo que han de incorporar accesorios diversos.

Figura 1.5.  Torno paralelo. Fuente: PINACHO.

En este tipo de tornos el operario, el manejo se realiza de forma totalmente manual, aunque pueden encontrarse tornos paralelos especializados en series largas que pueden incorporan una serie de automatismos para la realización de ciertas labores, a fin de agilizar la producción.

El ámbito de aplicación de este tipo de tornos es el torneado de series cortas y mantenimiento, siendo la necesidad de mecanizar grandes series de piezas de forma rentable lo que propició la aparición de los tornos especializados que se verán más adelante.

La mayor parte del mecanizado se realiza actualmente en máquinas-herramienta gobernadas por controles numéricos (CNC) o automáticos, por lo que el torno paralelo se ha ido relegando a tareas poco importantes. Las secciones de mantenimiento de los talleres y las escuelas formativas, siguen siendo un reducto importante para este tipo de máquinas. Las partes de este tipo de tornos se detallarán en una unidad aparte.

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En las siguientes líneas, además, se resume rápidamente el tipo de operaciones que pueden realizar (igualmente, se detallarán en una unidad aparte): ■■ Refrentado. ■■ Cilindrado. ■■ Ranurado y tronzado. ■■ Roscado. ■■ Mandrinado. ■■ Taladrado. ■■ Además, puede darse conicidad a las piezas o realizar operaciones de moleteado.

Ventajas más relevantes A continuación resaltaremos algunas de las características ventajosas de este tipo de máquina-herramienta: ■■ Una de las características que han definido a estos tornos tradicionalmente, es su versatilidad. No estar especializados, los convierte en unas máquinasherramientas de un uso heterogéneo. ■■ Un precio relativamente bajo es una característica común de estas máquinas, al menos en comparación a los tornos de control numérico o tornos especializados. Las dos características anteriores los hace idóneos para centro de enseñanza y para labores de mantenimiento.

Desventajas más relevantes A continuación resaltaremos algunas de las características menos ventajosas de este tipo de máquina-herramienta: ■■ Una característica importante es la relativa inexactitud en los movimientos. Debido a que no se utiliza en su construcción los husillos de bolas –como sí sucede en los tornos de control numérico-, inevitablemente no se pueden lograr precisiones tan elevadas como en estos. ■■ Los profesionales han de estar bien preparados, ya que el manejo manual de sus carros es fácil cometer errores en la geometría de las piezas a tornear. ■■ No es posible mecanizar piezas de geometrías complejas, ya que los movimientos de la herramienta se basan en el desplazamiento de los dos carros (longitudinal y transversal). Para el mecanizado de geometrías curvas, sería necesario forzar el movimiento simultáneo con ambas manos de manera sincronizada: aun en el supuesto de que se lograse en una pieza, sería irrealizable plantearlo para la producción en serie de piezas.

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■■ El mecanizado es lento, en comparación a los tiempos realizables con los tornos de control numérico o especializados. ■■ Por los motivos anteriores, hace que el trabajo con estas máquinas sea poco económico (a pesar de su coste de adquisición bajo). ■■ Ajuste complicado de los datos de corte (Velocidad de corte y avances adecuados), ya que casi todos los modelos únicamente pueden fijar una poca gama de revoluciones de giro (RPM) y avances. Eso conlleva que las herramientas no trabajen a las velocidades completamente ideales. ■■ Para el torneado se necesitan herramientas de corte en diferentes posicionados –es decir, diferentes ángulos de posición-. En torno paralelo basta con girar la torreta y conferirle una nueva orientación a una misma herramienta, mientras que en los de control numérico existe un revólver con diferentes herramientas. Puede parecer una ventaja, pero penalizará evidentemente los tiempos de fabricación al precisarse parar el torno, girar manualmente la herramienta y volver a apretar la torreta.

1.3.2.  Torno revólver En los tornos habitualmente la pieza gira sujeta al cabezal, mientras que la herramienta de corte ubicada en el porta-herramientas va eliminando el material al entrar en contacto con la pieza. Por tanto, es la herramienta la que se desplazan para eliminar el material sobrante de la pieza para darle forma. Los movimientos de dicha herramienta son causados por el operario manipulando palancas y manivelas, y es él quien determina el orden en el que van trabajando las herramientas.

Figura 1.5.  Torno revolver para mecanizado de madera. Fuente: INTOREX.

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En los tornos automáticos, por el contrario, hay un orden preestablecido con el que, una vez comienza el ciclo, hace que cada una de las herramientas trabaje en el momento preciso y a la velocidad requerida, sin intervención del operario. Se consigue el sistema automático por una serie de dispositivos y mecanismos eléctricos, mecánicos, neumáticos, hidráulicos donde figura como elemento principal la leva. Al producirse en forma automática todos sus movimientos se obtienen rendimientos mayores a los obtenidos en cualquier otro tipo de torno. El tiempo empleado en la preparación de los elementos necesarios para la fabricación de nuevas piezas es alto y debe ser menor al de la fabricación de las piezas por lo que se recomienda emplear tornos automáticos en el mecanizado de grandes producciones. Este torno es empleado para la realización de grandes series de producción, aprovechando el trabajo simultáneo de varias herramientas para disminuir los tiempos totales de mecanizado. Se parte de barras largas de poco diámetro, y evidentemente, las piezas resultantes son relativamente pequeñas. Dicha barra queda sujeta mediante con un plato de garras o generalmente mediante pinzas, y se va mecanizando el exterior (refrentando, cilindrando, roscando, ranurando y tronzando) y el interior (taladrando, mandrinando, roscando o escariando) con varias herramientas simultáneamente.

Ventajas y desventajas más relevantes A continuación resumiremos algunas de las ventajas y desventajas que ofrecen este tipo de máquina-herramienta: a. La ventaja principal es la ganancia de tiempo en relación al torno paralelo, ya que en este último tipo de torno, se pierde mucho tiempo en los cambios de herramienta y en la preparación de la máquina. Las torretas de herramientas, suelen poseer seis u ocho herramientas disponibles. Al generarse todos sus movimientos de forma automática los rendimientos suelen ser mayores a los conseguidos con cualquier otro tipo de torno. b. La desventaja reside en la complejidad para la preparación, aunque una vez determinado el proceso, la ejecución de numerosas piezas continuadamente es extremadamente sencilla. Así mismo, son poco versátiles, en cuanto están destinadas a la ejecución de numerosas piezas iguales durante un largo tiempo. El tiempo empleado en los planteamientos y preparativos para la fabricación de nuevas piezas es elevado –y debe ser menor al de la propia fabricación de las piezas-, por lo que solo suelen emplearse en el mecanizado de grandes series.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Manuales, semiautomáticos o automáticos En los tornos automáticos el proceso está completamente automatizado. En los tornos semiautomáticos el proceso también se halla totalmente automatizado, excepto para situar y retirar la pieza. Una vez sujetada la pieza el operario pulsa un botón para comenzar el proceso, ejecutándose todas las operaciones consecutivamente –y de manera automática- hasta la finalización de la pieza.

En este ejemplo se aprecia el mecanizado exterior de un pistón (A) con herramientas múltiples en paralelo. La torrera superior se acerca perpendicularmente a la pieza, creando así un achaflanado (hta. B), las cuatro ranuras(htas. C) y el refrentado (hta. D). La torrera inferior se desplaza paralelamente a la pieza, encargándose del cilindrado del pistón (htas. E).

En los que denominaríamos manuales, el operario tendrá que encargarse de situar y retirar la pieza –como en el semiautomático-, pero además deberá proceder a los giros de la torreta con las herramientas manualmente. Lógicamente se trata del torno revólver más lento. A efectos prácticos podría considerarse un torno paralelo, en el que se ha sustituido la torreta tradicional por una torreta para múltiples herramientas.

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Las herramientas del torno revólver La distribución de las herramientas suele estar repartida entre una torreta cuadrada –capaz de portar cuatro herramientas-, una torreta rotatoria tipo revólver, y finalmente un portaherramientas ubicado tras el eje revolución de la pieza donde se sitúa la herramienta de tronzado final de la pieza. De este modo es posible el trabajo simultáneo de varias herramientas sobre la pieza a mecanizar, con el fin de disminuir el tiempo total de mecanizado. En una de las posiciones de la torreta revólver, se coloca un “tope” que será la primera herramienta seleccionada, y que servirá obviamente para hacer de tope a la barra de material, detenerla en una posición concreta y poder comenzar el proceso de mecanizado. La herramienta de tronzar será la que finalice el mecanizado al encargarse del corte de la pieza, que quedará recogida en una bandeja inferior.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Como se puede ver en la imagen anterior, la torreta rotatoria tipo revólver sirve para alojar el tope y las herramientas de taladrado. Las herramientas para el resto de las operaciones de torneado se alojan en la torreta cuadrada, aunque la herramienta para el trozando final de la pieza se halla ubicada en un bloque cuadrado independiente. Esta herramienta solo trabaja en profundidad, al necesitarse que actúe transversalmente para proceder al corte o tronzado de la pieza.

Torno automáticos de múltiples husillos o multihusillo Existen tornos automáticos de varios husillos –más de un husillo-. Los tornos con husillos múltiples tienen de cuatro a ocho husillos, que se alinean paralelamente. La pieza va pasando por cada uno de los husillos, especializado en una determinada operación: se trata, por tanto, de un ciclo de operaciones consecutivas pero realizadas a través del paso por los diferentes husillos. Al final de un ciclo, se termina la pieza de trabajo. Evidentemente, conforme una pieza abandona un husillo para ser trasladada a otro husillo, una segunda pieza va ocupando la posición que abandonó la anterior. En un torno de ocho husillos, la pieza cambiaría de husillo ocho veces para efectuar el ciclo de la máquina.

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Un caso particular de torno automático: el torno suizo Los tornos con un husillo tipo suizo ofrecen reducciones potenciales de costos. Los tornos automáticos conocidos como suizo o Swiss type, el desplazamiento longitudinal es producido por el cabezal del torno. El cabezal retrocede con la pinza– destinada a sujetar las piezas- todavía abierta, y a continuación se cierra la pinza para hacer avanzar la barra. Disponen además de una luneta o cañón que guía la barra a la misma altura de las herramientas, y no sufran flexión que pudiese desviarlas aun cuando sean relativamente largas en comparación a su escaso diámetro. Funcionan con juegos de levas o CNC, y son precisos, con capacidad de mecanizar piezas con tolerancias muy estrechas.

Figura 1.6.  Torno CNC tipo suizo. Fuente: POLY GIM.

1.3.3.  Torno copiador Este torno está destinado a la mecanización económica de piezas, partiendo de una pieza patrón o una plantilla del perfil de la pieza a tornear. El mecanismo copiador suele ser un mecanismo de naturaleza mecánica o hidráulica.

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Figura 1.7.  Torno copiador. Fuente: DBK.

Para comprender cómo es este tipo de máquinas copiadoras, es fácil que asociemos este tipo de mecanizado de copia a un proceso tan familiar como el copiado de nuestras llaves domésticas –aunque se realice con una fresa y no con un torno, la idea es la misma-. Se emplean para el torneado de piezas forjadas o fundidas –con poco material sobrante-, a las que hay que darle la forma final requerida, similar a la de la pieza patrón original.

Son utilizados con frecuencia en el trabajo de madera y de piedra para mecanizar patas de mesas y sillas, columnas ornamentales, etc… que son copias de una ya existente. No obstante, también pueden utilizarse para la fabricación en serie de pequeñas piezas metálicas.

La forma de operar de este torno es la que se indica a continuación: ■■ Se ubica una plantilla o patrón, sea plana o tridimensional, en un soporte. Puede utilizarse una placa convenientemente perfilada, de 3 a 5 mm de espesor, o incluso una pieza terminada directamente.

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■■ Se va desplazando un palpador o punzón muy sensible a lo largo del perímetro de la pieza a copiar. Gracias a un servomecanismo que actúa como conexión física entre la guía y la herramienta de corte –un pantógrafo por ejemplo-, los movimientos de dicha herramienta reproducen la forma de la pieza original. Este palpador toca la plantilla o la pieza de muestra con una presión muy leve (≈ 1 Kg). ■■ De ser necesario, se repasa la pasada final para conseguir la forma deseada de manera más precisa. A continuación esquematizaremos un ejemplo de este tipo de copiado con plantilla.

En este ejemplo se aprecia el mecanizado exterior de una pieza (a) sujetada entre dos puntos (B, B1). La rotación se logra mediante un perro de arrastre (A) sujeto al plato universal (C). Un palpador (G) se encarga de “seguir” la plantilla de chapa (E1) sujetada al portaplantillas (F), y que reproduce el perfil a mecanizar. Un mecanismo une dicho palpador con la torrera para la herramienta (H), encargada del mecanizado del perfil de la pieza.

Aunque el mecanismo copiador suele ser un dispositivo autónomo, lo cual permite adaptarlo a un torno paralelo convencional, las principales capacidades de este tipo de máquina-herramienta se demostrarán con tornos copiadores autóctonos, ya que se diseñan con bancada, contrapunto, carros, etc… específicos y con importantes modificaciones respecto a los tornos paralelos convencionales.

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1. Tipos de máquina-herramienta

La potencia de estos tornos también suele ser más elevada.

1.3.4.  Torno al aire Los tornos al aire –denominados también tornos frontales- están diseñados exclusivamente para la mecanización de piezas de gran diámetro y poca longitud. El eje se halla en posición horizontal, por lo que como comentábamos las piezas a tornear han de poseer poca longitud, para minimizar el voladizo. Su cabezal es muy robusto, dotado de 2 ó 3 mecanismos de retardo, para conseguir las marchas lentas necesarias en el caso de los desbastes más enérgicos. En ocasiones pueden verse acompañados de un foso excavado en el suelo, destinado a alojar parte de la pieza a tornear, consiguiéndose rebajar así la altura del eje de giro.

Figura 1.8.  Torno al aire frontal con plato de gran diámetro. Fuente: BOST.

En cualquier caso la disposición horizontal del eje de revolución es un inconveniente, ya que el peso de la pieza y del propio plato origina elevadas solicitudes a flexión. Eso hace necesario reforzar la máquina y la sujeción de la pieza. La única ventaja que el torno al aire ofrece respecto al torno vertical, que siempre ofrecerá más solidez y precisión, es que es una máquina más barata. A pesar de ello, no lo hace suficientemente rentable para la empresa, por lo que su uso se halla bastante limitado.

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1.3.5.  Torno vertical En estos tornos el eje de revolución es vertical. Se hallan destinados al torneado de piezas de gran diámetro y peso, que lógicamente serían más complicadas de situar y centrar en un torno convencional, con el eje en posición horizontal.

Un ejemplo típico de aplicación de este tipo de tornos es el torneado de piezas de gran diámetro como ruedas y volantes, coronas, rodetes de turbinas, etc.

No obstante el tamaño de las piezas hace frecuente que sea necesario colocar las piezas con la ayuda de un puente grúa o un polipasto. Una gran ventaja que presentan es que no precisan de puntos –como en los tornos de eje horizontal- para la sujeción de piezas largas, que se sitúan directamente sobre el plato. Al recaer el peso de la pieza sobre el plato, la posición horizontal del mismo es óptima para soportar la voluminosa pieza.

Torno vertical de una o de dos columnas Básicamente podemos distinguir entre torno vertical de una columna –también llamado de columna simple- o dos columnas –de doble columna-, aunque ambos dispondrán del plato en posición horizontal. El torno vertical de una columna posee, además del plato, una columna vertical lateral donde se halla ubicado los carros y el conjunto del cabezal, desplazable en dos ejes. Su utilización podríamos calificarla como genérica, y son lo suficientemente versátiles como para emplearlos en el mecanizado de casi cualquier tipo de pieza grande.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Figura 1.9.  Torno vertical de columna simple. Fuente: FAMA.

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Teoría de mecanizado

El torno vertical de doble columna posee, además del plato, dos columnas verticales paralelas laterales y una horizontal superior que las une, confiriéndole al conjunto una gran robustez. Suelen poseer un gran tamaño y potencias elevadas, utilizándose para el mecanizado pesado de piezas para maquinaria.

Figura 1.10.  Torno vertical de doble simple. Fuente: FAMA

1.3.6.  Otros tornos Responden a cualquier diseño que se aparte de los anteriormente descritos, entre los que podrían citarse tornos roscadores, destinados a la mecanización de series muy especiales o integrados dentro de células específicas de mecanizado. En cualquier caso, podrá comprobarse que existen tornos que incorporan dos husillos, poseen más de un revólver, que presentan una disposición inclinada de su bancada, etc… aunque debe quedar claro que en muchas ocasiones no se trataría de máquinas especiales, sino de la incorporación de ciertas particularidades en el diseño de las mismas.

1.3.7.  Tornos gobernados mediante CNC En primer lugar debe quedar claro que no se trata de tornos especiales respecto a los anteriores, sino de la particularidad que presentan de estar gobernados sus movimientos mediante un autómata programable. Por supuesto, muchos de los tornos reseñados en los apartados anteriores, podrían haber estado gobernados por un control numérico.

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El Control Numérico o CNC puede definirse como un sistema automático de gobierno de máquinas-herramientas, controladas electrónicamente, donde la secuencia de operaciones que han de ir ejecutándose se introduce mediante un código alfanumérico (letras, números y símbolos). Básicamente la información introducida puede ser de tipo dimensional (para la deducción del camino a seguir por la herramienta, según un sistema cartesiano) o tecnológica (datos de corte, activación del refrigerante, número que ocupará en el almacén la herramienta seleccionada, etc).

Figura 1.11.  PIE-Torno de CNC. Fuente: EMCO.

Si examinamos nuestro entorno industrial podremos darnos cuenta de que este tipo de tecnología está ampliamente ya implantada en nuestros talleres.

El CNC se aplica a procesos productivos que se apartan de los tradicionales procesos de mecanizado con arranque de viruta que todos conocemos. Por ejemplo, máquinas CNC para corte por láser, agua a presión, plasma, prensas, electroerosión, producción de nylon, corte de prendas vaqueras y un largo repertorio de diferentes aplicaciones.

Sin embargo, y aunque su utilización está ampliamente implantada, la tecnología denominada CAD-CAM todavía tiene una menor implantación, debido en más ocasiones de las deseables al desconocimiento de sus ventajas y a la economía real que produciría su implantación.

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Teoría de mecanizado

El CAD-CAM es un software especializado en la fabricación de piezas. Simplificando conceptos, diríamos que se trabaja importando un modelo de la pieza a mecanizar –realizado muchas veces con un software CAD, asignándole una serie de operaciones y herramientas, y solicitándole finalmente el programa de CNC que se enviará a la correspondiente máquina para la mecanización.

Figura 1.12.  Simulación de mecanizado con CAM. Fuente: SIEMENS.

Ventajas más relevantes del CNC Una máquina-herramienta dotada de un control numérico posee una serie de ventajas destacadas que enumeramos a continuación: ■■ Mayor uniformidad en los productos producidos. Una vez introducido el programa –y controlando estado de la herramienta, datos de corte, temperatura, etc- puede asegurarse la obtención de piezas iguales, entendiendo como tales aquellas piezas de idéntico diseño obtenidas dentro de los requisitos de calidad superficial y tolerancias establecidos. ■■ Flexibilidad para el cambio en diseño y modelos en un tiempo corto.

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1. Tipos de máquina-herramienta

■■ Se reduce fatiga y tiempo de trabajo del operario. Además, en numerosas ocasiones un operario puede ser capaz de operar más de una máquina a la vez con cargas de trabajo aceptables. También hay una mayor seguridad en las labores, especialmente para el operario. ■■ Fácil procesamiento de productos complicados: algunos productos son realizables únicamente con CNC, algo especialmente aplicable al sector del modelaje. ■■ Fácil control de calidad, en ocasiones simplemente modificando en el programa los datos de corte escogidos inicialmente para la herramienta. ■■ Es posible satisfacer pedidos urgentes en tiempos razonables. ■■ Aumento del tiempo de trabajo efectivo de mecanizado. ■■ Fácil administración de producción e inventario, facilitando así fijar objetivos o políticas de empresa. ■■ Permite simular el proceso de corte a fin de verificar que este sea correcto.

Desventajas más relevantes del CNC Sin embargo no todo son ventajas, y entre éstas podrían citarse las siguientes: ■■ Coste muy elevado de la maquinaria en general, así como herramientas y accesorios. ■■ Conocimientos por parte del personal implicado para programar y hacer funcionar eficientemente dichas máquinas. ■■ Los costos de mantenimiento aumentan, ya que el sistema de control es más complicado y surge la necesidad de entrenar al personal de servicio y operación. ■■ Es necesario mantener un gran volumen de producción a fin de lograr una mayor eficiencia de la capacidad instalada, así como amortizar los elevados costes de compra e implantación que a buen seguro se producirán.

1.3.7.1.  Tornos de 4/5 ejes En principio los tornos son máquinas que trabajan con la herramienta en dos posibles direcciones (desplazamientos longitudinales o transversales). Por consiguiente, el control numérico gobernará dichos tornos en dos ejes, que se denominan eje X (para el desplazamiento transversal o perpendicular al eje de revolución de la pieza) y eje Z (para el desplazamiento longitudinal o paralelo al eje de revolución de la pieza).

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Teoría de mecanizado

Figura 1.13.  Ejes de torno XZ.

Sin embargo, actualmente podemos encontrar tornos CNC dotados de más de un eje (cuarto o quinto eje), con capacidad de posicionar el plato –y por tanto la pieza- en una posición angular concreta, y de utilizar brocas y fresas con motorización propia. Esto convierte a este tipo de máquinas en lo que conocemos como torno-fresa, que aprovechan al máximo las capacidades de corte en piezas cilíndricas de un torno pero también realizan las operaciones de fresado típicas de una fresadora. De este modo las piezas complejas pueden ser mecanizadas en una sola preparación de estas maquinas, reduciéndose los tiempos de operación manteniendo una buena precisión y evitando el montaje/desmontaje en máquinas distintas.

Figura 1.14.  Torno-fresa CNC, con cabezal de fresado orientable. Fuente: MAZAK.

El eje C Los tornos con más de dos ejes, disponen de capacidad para frenar la rotación del husillo –y con ello el giro de la pieza- hasta situarlo en una posición concreta. Por ejemplo, si programamos en estas máquinas C45, podemos hacer rotar la pieza a velocidad lenta hasta situarla a 45º, frenarla, y efectuar una operación de fresado o taladrado con la correspondiente fresa o broca motorizada.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Sin embargo, como las herramientas están  montadas en el revólver del torno –y por lo tanto a la misma altura del husillo y el eje de la propia pieza-, sus movimientos permanecen en los dos ejes de un torno convencional. Por ello, solo ciertos mecanizados paralelos o perpendiculares al eje del husillo pueden ser afrontados directamente  por las herramientas motorizadas.

Sólo ciertos mecanizados paralelos o perpendiculares al eje del husillo pueden ser afrontados directamente  por las herramientas motorizadas. Por ejemplo, un taladrado radial o una chavetero que posea el mismo ancho que el diámetro de la fresa con la que se ha mecanizado.

El eje Y Para un mecanizado excéntrico o fuera de centros, se utiliza un cuarto eje denominado eje Y –se conocen como tornos con eje indexado-. En realidad con el eje Y se logra agregar un nuevo tercer eje al revólver, permitiendo que las herramientas motorizadas afronten mecanizados sobre el eje de la pieza, es decir, mucho más complejos que solo con el eje C.

Figura 1.15.  Fresado en torno con herramienta motorizada en eje Y.

A efectos prácticos, una máquina-herramienta dotada con eje Y son dos tipos de maquinas unidas, un torno y una fresadora en una misma máquina. Esto permite una absoluta libertad en cuanto puede plantearse el mecanizado de cualquier tipo de pieza, sin necesidad de tornear una parte de la pieza, desmontarla y trasladarla después hasta otra máquina-herramienta como una fresadora una rectificadora. Esta pieza solo se monta una vez en maquina, de ahí la precisión y ganancia de tiempos garantizando siempre buenos resultados en el acabado.

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Teoría de mecanizado

1.4.  La fresadora Las fresadoras son unas máquinas-herramientas destinadas a realización de diferentes operaciones de fresado, un tipo de mecanizado donde una herramienta de corte giratoria –denominada fresa, con uno o más filos de corte- avanza en una determinada dirección sobre la pieza. Para ser exactos, en la práctica es la mesa que soporta la pieza la que se encarga de mover dicha pieza en un desplazamiento lineal controlado (avance), enfrentándola de ese modo a la herramienta giratoria. Por tanto, en la fresadora se consigue el corte mediante el giro de la herramienta combinado con el movimiento de avance de la pieza, fijada a la mesa de la fresadora. En cualquier caso, y esa es una característica que diferencia el fresado del torneado, la dirección del avance es siempre perpendicular al eje del husillo principal, el que imprime el giro a la herramienta.

Si recordamos el apartado anterior, en el torno coincide la posición del husillo principal con el desplazamiento de la herramienta a lo largo de las guías de la bancada (desplazamiento del carro longitudinal).

Otra característica a recordar es que las fresadora poseen tres o más ejes definidos para el movimiento, mientras que un torno estándar solo posee dos.

Figura 1.16.  Fresa multifilo planeando bloque de fundición. Fuente: SANDVIK COROMANT..

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1. Tipos de máquina-herramienta

Las fresadoras son las máquinas-herramientas entre las que puede encontrarse una mayor versatilidad y variedad, por lo que pretender hacer una clasificación exhaustiva es prácticamente imposible. Por ejemplo, muchas fresadoras CNC equipadas con dispositivos auxiliares gobernados electrónicamente (es decir, multiejes) son equivalentes en la práctica a muchos centros de mecanizado. De hecho, y sirva como un ejemplo más, también muchas taladradoras capacitadas para desplazamientos longitudinales de la mesa podrían equipararse perfectamente a una fresadora, lo que demuestra que la línea divisoria entre ciertos tipos de máquinas es, en ocasiones, bastante ambigua. La clasificación de las fresadoras podría resumirse en los subgrupos que se detallarán a continuación. En numerosas ocasiones se realiza una primera división en función de la disposición del husillo principal. Por este motivo, podríamos limitarnos a hacer una primera clasificación en tres grandes grupos básicos, a saber: ■■ Fresadoras horizontales (husillo portafresas en horizontal). ■■ Fresadoras verticales (husillo portafresas en vertical). ■■ Fresadoras mixtas (husillo portafresas orientable). Sin embargo, hemos preferido realizar una clasificación algo más detallada que incluya más aspectos significativos de su construcción mecánica, y que es la que pasamos a estudiar a continuación.

1.4.1.  Fresadora de columna fija Las fresadoras de columna fija se caracterizan por tener el conjunto del cabezal de fresado fijo, de manera que los movimientos de desplazamiento vertical deben ser realizados desde la ménsula.

La ménsula es una parte de la fresadora que sirve como soporte del carro portamesas, que queda ubicado en su parte superior. Aloja los volantes y mecanismos de dos o tres de los ejes de desplazamiento.

Por ello es precisamente la pieza, sujeta a la mesa y a la ménsula, la que habrá de acercarse hacia la herramienta para el mecanizado.

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Teoría de mecanizado

En líneas generales, ofrecen una muy buena facilidad para el posicionado y accesibilidad de las piezas, por lo que son máquinas adecuadas para trabajos sobre piezas unitarias o pequeñas series. Sin embargo, el elevado voladizo que presenta el conjunto del cabezal las hace menos indicada para piezas voluminosas y trabajos pesados donde se generen grandes esfuerzos de corte en general.

Figura 1.17.  Fresadora de columna fija. Fuente: MILKO.

Una limitación que presentan es el tipo de mecanizado que pueden efectuar. Dada la posición que presentará la herramienta de corte, solo podrán realizarse planeados de caras con fresas en disposición horizontal, así como mecanizados de ranuras más o menos profundas con fresas tipo disco o sierra. No obstante, dada la longitud del eje portafresas, es posible preparar trenes de fresas para proceder al mecanizado de ranuras paralelas simultáneas.

Figura 1.18.  Tren de fresas. Fuente EMCO.

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1. Tipos de máquina-herramienta

1.4.2.  Fresadora de columna móvil Al contrario que las fresadoras descritas anteriormente, las fresadoras de columna móvil se caracterizan por la movilidad del conjunto del cabezal de fresado: por ello ya no resulta necesaria la movilidad de la ménsula, y es la herramienta la que se acercará hacia la zona de trabajo de la pieza. Resultan adecuadas para el trabajo de piezas grandes y pesadas, ya que al ser la herramienta la que se acerca hacia la zona de trabajo y no resultar necesario elevar la pesada pieza en la vertical se logran mayores velocidades y tiempos de trabajo, además de una mayor estabilidad y rigidez estructural. En la mecanización de grandes piezas se ofrece la posibilidad del fresado de longitudes especialmente largas, al utilizarse en muchas ocasiones una transmisión doble de piñón-cremallera en el sentido del eje X (longitudinal). De este modo se pueden fresar piezas de gran dimensión debido a la independencia de su área de trabajo sobre la ubicación de las piezas a mecanizar, así como colocar diferentes accesorios en la mesa sin interferencias. Por ello, y como puede observarse en la figura siguiente, este estilo constructivo es utilizado con bastante en fresadoras gobernadas mediante CNC.

Figura 1.19.  Fresadora de columna móvil. Fuente: ZAYER.

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Teoría de mecanizado

1.4.3.  Fresadora universal La fresadora universal es, precisamente, la fresadora para pequeñas series más versátil que podemos encontrar, ya que une su buena precisión de funcionamiento con una gran variedad de accesorios para la realización de mecanizados muy variados.

Además de poder moverse en los tres ejes lineales básicos (la ménsula y la mesa que soporta puede desplazarse en longitud, anchura y altura), presenta capacidad para variar el ángulo de posición de la cabeza de fresado y realizar de ese modo fresados y taladrados en las posiciones más variadas. También posee dos husillos principales, uno vertical y otro horizontal, que le confieren capacidad para fresar en un plano vertical u horizontal indistintamente.

Figura 1.20.  Fresadora universal. Fuente: KNUTH.

Como ya hemos comentado antes, diferentes accesorios tales como divisores, mesas giratorias y cabezales de apoyo transversal aumentan aun más su capacidad de trabajo.

Figura 1.21.  Cabezal divisor. Fuente: BISON -PHANTOM.

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1. Tipos de máquina-herramienta

1.4.4.  Fresadora de pórtico En realidad se trata de una variante de las fresadoras de columna móvil, desarrollada para el trabajo de piezas de grandes dimensiones, especialmente en cuanto a longitud. En este tipo de fresadoras, la mesa que soporta la pieza –y que se apoya directamente sobre una sólida bancada- solo se desplaza en una determinada dirección, precisamente la longitudinal que es la de mayor carrera. Por otro lado, la máquina dispone de dos robustas columnas que soportan un puente transversal sobre el que se desplaza el conjunto del cabezal con elevada rapidez en las dos direcciones restantes.

Figura 1.22.  Presadora puente . Fuente: ZAYER.

Su rango de utilización principal es la elaboración de piezas de grandes dimensiones, como por ejemplo coronas y tornillos sinfín, engranajes helicoidales, o platos de transmisión a cadena. Como es lógico, este tipo de fresadoras se caracteriza por una elevada rigidez estructural.

Actualmente es frecuente la denominación de fresadoras y centros de mecanizado tipo Gantry, en referencia a máquinas pórtico móvil, travesaño fijo y mesa fija.

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Teoría de mecanizado

1.4.5.  Fresadora de puente móvil En este caso la mesa permanece inmóvil y todos los movimientos quedan a cargo de la herramienta, que se desplazará a lo largo de la pieza a mecanizar por medio de una estructura que recuerda a la de un puente grúa. No son como las fresadoras de pórtico vistas anteriormente, ya que en aquel caso la herramienta se desplazaba en dirección longitudinal. Su campo de aplicación más importante suele recaer en la mecanización de piezas de gran tamaño, como las destinadas al sector naval y aeronáutico o algunos modelos para fundiciones.

Figura 1.23.  Fresadora puente móvil. Fuente: CORREA.

Son ideales cuando la fuerza a ejercer es poca, y obviamente cuando el tamaño de la pieza exige trabajar en largas distancias y alturas. Sin embargo, este tipo de fresadoras no posee mucha flexibilidad, puesto que suelen tener un motor –o aún mejor, dos motores- de gran tamaño, destinado a mover el peso del puente grúa. Precisamente por ello, aunque poseen una gran robustez, se traduce en un mayor peso a desplazar.

1.4.6.  Fresadoras gobernadas mediante CNC Recordaremos nuevamente que no estamos hablando de fresadoras diferentes a las anteriores, sino de la particularidad que presentan de ver gobernados sus movimientos mediante un autómata programable.

Figura 1.24.  Fresadora CNC. Fuente: EMCO.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Ya comentamos en el apartado referente a los tornos, que el Control Numérico o CNC se define como un sistema de gobierno de máquinas-herramientas, controladas electrónicamente, donde la secuencia de operaciones que han de ir ejecutándose se introduce mediante un código alfanumérico. La información introducida puede ser de tipo dimensional (para la deducción del camino a seguir por la herramienta, según un sistema cartesiano) o tecnológica (datos de corte, activación del refrigerante, número que ocupará en el almacén la herramienta seleccionada, etc). Poseían una serie de ventajas y desventajas que ya detallamos, y que no se indicarán de nuevo a continuación para no repetir contenidos. No obstante, pasaremos a comentar una serie de aspectos importantes sobre las particularidades del CNC aplicado a las fresadoras.

El número de ejes en el fresado CNC La mayor parte de los controles de hoy en día son de los llamados continuos, en los que la herramienta ya es capaz de seguir una trayectoria continua –es decir, generar trayectorias tanto lineales como circulares-, para lo cual se han de sincronizar el movimiento de dos o más ejes. Pero aún puede subdividirse en otras tres categorías más, atendiendo a su grado de sincronización entre los ejes con los que trabaje la máquina: ■■ Control numérico de 2 ejes: se controlan simultáneamente los dos ejes de los que dispone la máquina. Lógicamente su aplicación es exclusiva de máquinas sencillas como tornos, ciertas fresadoras, máquinas de electroerosión, etc. ■■ Control numérico de 2 1/2 ejes: se controlan simultáneamente dos ejes de cualquiera de los tres planos principales (XY, XZ o YZ). Aunque la máquina sería capaz de dirigir la herramienta hacia un punto desplazándose en los tres ejes a la vez, le resultaría imposible controlar la trayectoria. Se utiliza en fresadoras y centros de mecanizado. ■■ Control numérico de 3 ejes: se pueden controlar simultáneamente tres ejes de la máquina, lo que permite mecanizar superficies complejas en 3D. Se utiliza en fresadoras y centros de mecanizado para mecanizados complejos. Lógicamente es muy habitual hoy día encontrar máquinas con más ejes, aunque se tratarán de ejes de rotación –y no lineales-, o de ejes meramente auxiliares a los ejes lineales principales XYZ que poseerá la máquina. El número habitual en un centro de mecanizado es de cinco ejes. Precisamente acabamos de comentar en estas líneas unas máquinas-herramienta conocidas como centros de mecanizado. Pero… ¿qué diferencia existe entre una fresadora gobernada mediante CNC y un centro de mecanizado? El centro de mecanizado ha sido el resultado de la evolución lógica de la fresadora, y debe reunir una serie de características para ser considerado como tal. Por su relevancia, realizaremos estas consideraciones en un subapartado específico.

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Teoría de mecanizado

1.4.6.1.  Centros de mecanizado Los centros de mecanizado son máquinas-herramienta orientadas fundamentalmente al trabajo completo de piezas complejas, sin tener que proceder a realizar sucesivos amarres y desamarres de ésta a fin de mecanizar todas sus caras.

Figura 1.25.  Centro de mecanizado de Alta Velocidad. Fuente: CORREA.

En líneas generales, para lograr dicho fin han de poseer una serie de características que resumimos a continuación: ■■ Estar gobernadas mediante CNC o Control Numérico Computerizado, lo que permite la mecanización de diseños más complejos y la realización de trayectorias controladas con movimientos simultáneos en más de un eje. Esto permite el control contínuo de la trayectoria y la simulación en una pantalla gráfica de los mecanizados a realizar. ■■ Tener como mínimo tres ejes de trabajo principales, y uno de rotación. Los ejes principales se conocen como ejes X, Y, Z y se programan en milímetros, mientras que los posibles ejes de rotación que puede incorporar se conocen como A, B, C y se programan en grados de giro. Pueden encontrarse centros de mecanizado que poseen además ejes auxiliares U, V, W para el desplazamiento de dispositivos accesorio, como por ejemplo intercambiadores de piezas. ■■ Poseer un almacén y un cambiador automático de herramientas, que evite una excesiva parada del proceso –en cuanto a tiempos se refiere- que se invierten en los cambios manuales por parte del operario.

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1. Tipos de máquina-herramienta

■■ Estructuras y diseños de máquina especialmente robustos, que le permitan la realización de los trabajos de mecanizado a velocidades y avances especialmente altos. Como puede intuirse, el concepto de centro de mecanizado es muy similar al de fresadora de control numérico. No obstante, las fresadoras de control numérico propiamente dichas no disponen de un cambiador automático de herramientas. Podría decirse que, si a una fresadora de control numérico se le añade un cambiador automático de herramientas gobernado por el propio CNC de la máquina, tenemos como resultado un centro de mecanizado. Al margen de todo esto, el concepto de centro de torneado es diferente al expuesto anteriormente, ya que se tratan de máquinas que presentan características diferentes.

Un centro de mecanizado no debe confundirse con un centro de torneado, ya que en éste último se corresponde en realidad a tornos provistos de cabezales de fresado y gobernados mediante CNC. A efectos prácticos, un centro de torneado vendría a ser un torno con capacidad de fresado.

Hoy día poseen centros de mecanizado muchos talleres, ya que permiten sustanciosas economías en tiempos de trabajo y la realización de piezas complejas imposibles de obtener de diferente modo. En este aspecto, la industria aeroespacial y del automóvil ha hecho avanzar el desarrollo y la implantación de este tipo de máquinas imparablemente. No obstante, su elevado precio hace que un taller de mecanizado deba considerar seriamente su adquisición, y tener presente que ante un trabajo realizable en diferentes máquinas –por ejemplo, una operación de taladrado- siempre habrá que reservarlo para las máquinas más sencillas disponibles.

1.4.6.2.  Arquitectura paralela: los hexápodos Durante estos últimos años ha habido un notorio desarrollo de máquinas-herramienta de estructuras paralelas del tipo conocido como hexápodos, cuya ventaja fundamental radica en ser máquinas de arquitectura muy simple y dotadas para alcanzar grandes velocidades, aunque todavía no sirven para grandes potencias, resultan de programación compleja y pueden ser poco precisas. La estructura de una fresadora o un centro de mecanizado convencional están basados en tres ejes cartesianos X, Y, Z y algún eje de rotación adicional. A pesar de la facilidad para controlar dichos ejes, esta disposición presenta dos desventajas fundamentales: los ejes implicados soportan cargas en todas las direcciones, y la libertad de movimientos puede hallarse considerablemente restringida.

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Teoría de mecanizado

Las soluciones aportadas por la arquitectura paralela están basadas en unos novedosos centros de mecanizado en los que el motor principal cuelga de una pequeña plataforma unida a un soporte estático superior mediante seis brazos de telescópicos, en realidad seis motores lineales. Mediante un complejo sistema de gobierno puede hacerse actuar dichos brazos recogiendo o extendiéndolos independientemente, como si se tratase de las patas de una araña. La variación de la longitud de estos brazos permite la adecuada orientación de la herramienta de corte.

Figura 1.26.  Estructura de un hexápodo.

Poseen una considerable libertad de movimiento y alcanzan unas extraordinarias velocidades de desplazamiento, aunque a costa de precisión en el mecanizado (por el momento uno de sus puntos débiles es la falta de precisión). Como puede comprobarse en el dibujo las únicas masas a desplazar son el motor y los propios brazos, lo que hace que las inercias que presenta el sistema sean por supuesto mucho más bajas que las que presentaría un centro de mecanizado convencional.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Figura 1.27.  Hexápodo, con seis brazos y cinco de ellos motorizados. Fuente: TEKNIKER.

Como podrá deducirse por las siguientes líneas, en las que se resumen las ventajas y desventajas que presentan, su uso no está demasiado extendido y se halla restringido a ciertas áreas.

Ventajas más relevantes de la arquitectura paralela A continuación podemos ver cuáles son las principales ventajas de la arquitectura paralela: ■■ Estructura más simple en comparación a una fresadora o a un centro de mecanizado convencional. ■■ Menor inercia. ■■ Menor coste.

Desventajas más relevantes de la arquitectura paralela Estos son los principales inconvenientes: ■■ Complejidad de su control, ya que ha de efectuarse una constante interpolación de 5 ejes y complejas rutinas de control no lineal. Aunque su mecánica es más sencilla que la de una fresadora convencional, es más difícil de desarrollar por la complejidad matemática de los algoritmos que requiere. ■■ Volumen ocupado por la máquina muy grande, en comparación con el volumen de trabajo. ■■ Volumen de trabajo muy irregular con relación al volumen prismático deseable. ■■ Dificultad de compensación de errores. ■■ Dificultad de puesta a punto.

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1.5.  La mandrinadora Las mandrinadoras son máquinas-herramientas especializadas en realizar taladros y en el mecanizado de diferentes agujeros. Por lo general se buscan tolerancias estrechas y una calidad de mecanizado muy buena. La palabra mandrinado define una operación de mecanizado en agujeros de piezas previamente realizados, con la intención de obtener mayor precisiones en las medidas –tolerancias más estrictas- y mejores rugosidades superficial. El mandrinado de piezas de revolución puede efectuarse en cualquier torno mediante una herramienta llamada mandrino, pero en este apartado estamos tratando sobre una máquina-herramienta denominada mandrinadora, destinada al mandrinado de grandes piezas cúbicas. En realidad, muchas grandes fresadoras y centros de mecanizado de husillo horizontal, bien podían ser merecedoras de tratarse como máquinas de este tipo.

El mandrinado se define una operación de mecanizado en agujeros de piezas ya realizados, a fin de obtener mayor precisión y rugosidad superficial. La mandrinadora es una máquina-herramienta destinada al mandrinado de grandes piezas cúbicas, muy similar a las fresadoras y centros de mecanizado de husillo horizontal.

Figura 1.28.  Mandrinadora. Fuente: SORALUCE .

La estructura de este tipo de máquinas está compuesta por una gran bancada donde se apoya una mesa giratoria, donde se fija la pieza a mecanizar. Dispone de una columna vertical, por la que se desplaza el cabezal motorizado que hace girar el husillo portaherramientas y las barras de mandrinar.

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1.5.1.  ¿Pero qué es una operación de mandrinado concretamente? El mandrinado es una operación destinada al agrandamiento de un agujero previamente existente en la pieza.

Figura 1.29.  Mandrinado. Fuente: SORALUCE.

El recrecido de precisión de un agujero puede lograrse mediante otros métodos como el escariado en agujeros pequeños o el fresado penetrando helicoidalmente. Recordamos además que en piezas simétricas suele recurrirse al mandrinado con una herramienta estática –y la pieza rotando a cambio-, un proceso más económico pero evidentemente limitado a dicha simetría. En la unidad 6 se ahondará en este particular. No obstante, adelantaremos que las mandrinadoras utilizan unas herramientas de corte específicas, a saber: ■■ El plato de refrentar, un dispositivo especial utilizado en las grandes mandrinadoras donde se combina la rotación sobre su eje –acoplado al husillo principal- y el desplazamiento radial de una herramienta montada en la colisa del plato.

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Figura 1.30.  Cabezal de mandrinar. Fuente: D’ANDREA.

■■ El mandril, con capacidad de desplazamiento radial y por tanto ajuste lo de los diámetros. Como veremos en la unidad 6, distinguiremos entre los mandriles necesarios para desbaste o para acabado.

Figura 1.31.  Mandril micrométrico. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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1. Tipos de máquina-herramienta

1.6.  La taladradora Las taladradoras son máquinas-herramientas especializadas en realizar taladros. Son máquinas-herramienta ampliamente conocidas, y destinadas a la realización de unas operaciones destinadas a obtener agujeros de un diámetro determinado que denominaremos taladros. La herramienta de corte destinada a tal fin se denomina broca, que como sabemos de realizar dos movimientos diferenciados: un movimiento de rotación en torno a su eje –el que le proporcionará la velocidad de corte adecuada-, y otro movimiento de avance lineal o penetración en la dirección del eje. No son máquinas especialmente complicadas, por lo pasaremos a revisar los diferentes tipos de taladradoras existentes. Los criterios para realizar una clasificación de las taladradoras son diversos, como por ejemplo las revoluciones de giro por minuto a alcanzar (RPM). En líneas muy generales, las taladradoras normales alcanzan entre 500 y 6.000 RPM, mientras que las taladradoras lentas oscilarían entre 11 y 850 RPM y las rápidas sobrepasarían las RPM. Sin embargo, el criterio más interesante para nosotros es el expuesto a continuación, basado en su método constructivo.

1.6.1.  Taladradora de sobremesa Se denominan así ya que, debido a su pequeño tamaño, pueden llegar a ubicarse sobre una mesa regulable en altura o sobre un banco de trabajo –y por tanto, moverse de lugar con bastante facilidad-. Casi todos los talleres suelen disponer de una o más taladradoras de este tipo, encaminadas fundamentalmente al taladrado rápido de agujeros de pequeño diámetro. No suelen tener capacidad de trabajar con brocas de más de 12 mm, y obviamente su potencia es muy limitada. Por regla general, la base que se apoya sobre la mesa sirve a su vez para soportar las piezas a taladrar, y es precisamente el cabezal la parte de la máquina que se desplaza en dirección a la pieza a taladrar.

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Teoría de mecanizado

Figura 1.32.  Taladro de sobremesa. Fuente: ERLO.

En realidad, cuando el cabezal es fijo y la taladradora dispone de una mesa independiente y movible para subir o bajar la pieza, nos hallaríamos ante una taladradora de columna de pequeño tamaño.

1.6.2.  Taladradora de columna Las taladradoras de columna constan de una columna o soporte cilíndrico principal, apoyado sobre una base o bancada anclada al suelo y del que dependen el resto de los elementos integrantes de la máquina. El cabezal se sitúa en la parte superior, mientras que más abajo encontraremos una mesa con capacidad de giro y regulable en altura, acoplada a la columna. Precisamente, es esta capacidad de movimiento la que le confiere la posibilidad de trabajar piezas largas o difíciles de situar, siendo mucho más rápida la búsqueda del punto de taladrado, por lo que se convierte en una máquina de gran versatilidad en comparación a las taladradoras citadas con anterioridad, pesar de su mayor envergadura.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Figura 1.33.  Taladro de columna . Fuente: FAMA.

Además, las taladradoras de columna no solo permiten trabajar con brocas, sino que también pueden utilizar avellanadores, achaflanadores, fresas de filo –para operaciones limitadas- e incluso incorporar dispositivos para roscado con macho.

1.6.3.  Taladradora radial Este tipo de taladradoras se destinan al taladrado de piezas de gran peso y volumen, por lo que la pieza a taladrar se apoya sobre una estructura de gran rigidez o sobre una mesa que descansa directamente sobre el pavimento. Evidentemente, son máquinas que se caracterizan en su conjunto por su elevado volumen y excepcional rigidez.

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Teoría de mecanizado

Por ello, es precisamente el cabezal el que se ve fijado a un brazo móvil ajustable y de gran voladizo, por lo que puede colocarse rápidamente sobre cualquier punto de la pieza para proceder a su taladrado. Como es fácil observar en la imagen, dicho brazo posee capacidad de rotación en torno a su eje de al menos 90º, lo que junto a la capacidad de desplazamiento longitudinal del cabezal –a lo largo del brazo-, le confiere una especial versatilidad.

Figura 1.34.  Taladro radial. Fuente: FAMA.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Figura 1.35.  Detalla de cabezal de taladro radial . Fuente: FAMA.

1.6.4.  Otras taladradoras Como es de suponer, existen numerosas variantes a las taladradoras citadas anteriormente, y que en cierto modo también podrían ser consideradas como híbridos entre taladradoras y fresadoras o, sencillamente, como nuevos tipos de máquina. Véanse, por ejemplo, las trepanadoras, máquinas taladradoras especializadas y diseñadas para la realización de taladros profundos, fundamentalmente para obras públicas, etc. En varios talleres de producción pueden localizarse taladradoras de husillos múltiples, con las que se consigue la ejecución en una sola penetración de varios taladros. En la siguiente figura pueden observarse una taladradora de dicho tipo, donde puede apreciarse claramente el cabezal multihusillo en la foto de detalle.

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Teoría de mecanizado

Figura 1.36.  Taladro de columna multihusillo y detalle de la campana multihusillo. Fuente: ERLO.

También resultan interesantes las baterías de taladradoras, máquinas-herramientas donde hay varias cabezas de taladrar colocadas una después de la otra, para la realización de trabajos de taladrado o similares en serie. A efectos prácticos esta máquina podría describirse como varias cabezas de taladro de columna con todos sus accesorios, pero dispuestas en una sola mesa de trabajo

Figura 1.37.  Batería de taladrado manual. Fuente: ERLO.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Este tipo de máquina puede ser muy útil cuando se precisan realizar varios trabajos en secuencia de taladrado. Imaginemos el mecanizado de un orificio para alojar un tornillo Allen: se precisa efectuar un punteado previo, un posterior taladrado al diámetro adecuado, un avellanado recto para alojar la cabeza del futuro tornillo, y un achaflanado final. Las cuatro operaciones podrían realizarse secuencialmente en la máquina de la imagen anterior.

En ciertas taladradoras, el cabezal se halla colocado en posición horizontal, debiéndose taladrarse la pieza desde un lateral. De este modo se consigue tener un buen apoyo de la pieza y disminuir los voladizos de la herramienta, por lo que resultan especialmente aptas para el mecanizado de grandes piezas.

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Teoría de mecanizado

1.7.  Otras máquinas-herramientas por arranque de viruta Como es de suponer, la amplia variedad de mecanizados necesarios para la ejecución de piezas de diferente naturaleza requiere la presencia en talleres de otros tipos de máquina-herramienta, de mayor o menor presencia según el grado de especialización o el tipo de trabajos realizados en el correspondiente taller. Hacer una descripción exhaustiva de todos los tipos y variantes existentes sería una labor interminable, por lo que simplemente vamos a limitarnos a hacer una descripción de los nombres y utilidad de dichas máquinas. Además, en numerosas ocasiones, la mayor parte de los órganos que constituyen dichas máquinas son similares o idénticos a los que forman parte de las anteriormente descritas. ■■ Brochadoras: máquinas-herramientas, generalmente hidráulicas, destinadas a operaciones de brochado, consistentes en hacer pasar una herramienta rectilínea de filos múltiples en un agujero taladrado previamente para darle una sección determinada (por ejemplo, realización de ejes nervados interiormente). El brochado se realiza por lo general en una única pasada, mediante el avance continuo de la brocha, que retrocede después hasta su punto de partida tras completar el recorrido. La máquina y las propias brochas son de coste elevado, pero el proceso resulta economicamente rentable para la fabricación de grandes series o mecanizados interiores complejos. Los dientes de la herramienta tienen un incremento progresivo de diente en diente, aumentándose así la profundidad de corte gradualmente. Los últimos dientes son los encargados de dar la medida final a la pieza.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Debajo podemos ver algunas secciones típicas para ser mecanizadas mediante el brochado:

Los dientes de la herramienta tienen un incremento “h” de diente en diente, aumentándose en esta forma la profundidad de corte gradualmente hasta los últimos dientes que son los encargados de dar la medida final y calibración de la pieza obtenida. ■■ Cepilladoras o planeadoras: aunque realiza trabajos similares a los de la limadora, en las cepilladoras el movimiento de corte lo efectúa la pieza mediante desplazamientos alternativos longitudinales, mientras que es la herramienta la que efectúa el correspondiente avance transversal y de penetración. ■■ Limadoras: son máquinas que basan su trabajo en un movimiento alternativo y horizontal, por lo que presentan una determinada carrea y el correspondiente retorceso. Están destinadas al labrado de pequeñas piezas planas, y aunque hoy día se han visto sustituidas por máquinas de mayor rendimiento, como las fresadoras, existen ciertos trabajos para las que pueden resultar imprescindibles (por ejemplo, el tallado de chaveteros interioes). En la limadora, el movimiento de corte lo efectúa la herramienta mediante desplazamientos alternativos longitudinales, mientras que es la pieza la que efectúa el correspondiente avance transversal. ■■ Máquinas afiladoras: máquinas provistas de muelas abrasivas, destinadas al afilado de herramientas de corte. Debe tenerse en cuenta que para el afilado de herramientas de acero rápido (HSS, HSSE) han de utilizarse muelas circulares, mientras que el afilado de herramientas de metal duro ha de hacerse con muelas de copa, exclusivamente de carburo de silicio o diamante.

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Teoría de mecanizado

■■ Mortajadoras: similares a las limadoras, aunque con los movimientos de corte realizados en la vertical. La pieza queda apoyada en esta ocasión sobre una mesa circular. Están destinadas a la mecanización de ranuras y chavetas en poleas y ruedas dentadas, así como a la realización de agujeros de diferente sección (cuadrada, hexagonal, etc). Al trabajar con herramientas de un solo filo, las limadoras y las mortajadoras poseen mucho menor rendimiento que las brochadoras.

Figura 1.38.  Mortajadora. Fuente: URPE.

■■ Rectificadoras: de diferentes tipos y tamaños, estas máquinas incorporan muelas abrasivas destinadas al rectificado, una operación consistente en el rebaje de pequeñas capas de material mediante sucesivas pasadas. Durante la determinación de las sucesivas fases de mecanizado ha de decidirse cuál es el espesor de la capa de material que se reserva para el rectificado tras los anteriores procesos de mecanizado. Aunque podría considerarse mecanizado por abrasión y no por arranque de viruta en el sentido estricto de la palabra, se ha incluido por su especial relevancia. Los tipos más conocidos son las rectificadoras cilíndricas, similares en concepción a los tornos, las rectificadoras planas tangenciales o las rectificadoras planas de muela frontal, equiparables con las fresadoras de husillo horizontal y vertical respectivamente.

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1. Tipos de máquina-herramienta

Figura 1.39.  Rectificadora cilíndrica. Fuente: KNUTH.

Figura 1.40.  Rectificadora plana tangencial. Fuente: KNUTH.

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En cualquier caso, las herramientas de filo son sustituidas en esta ocasión por muelas, unas herramientas abrasivas de forma circular compuestas por granos abrasivos (de corindón, carburo de silicio o diamante) y un aglomerante. □□ El corindón Al2O3 se emplea con materiales más bien tenaces como fundición y aceros, excepto algunos inoxidables. □□ El carburo de silicio SiC se emplea con materiales dúctiles blandos como aluminio, cobre, latón, etc. También con hierro colado, aunque se trate de un material duro y frágil en esta ocasión. □□ El diamante se emplea para el amolado y corte de carburos, vidrio, mármol, cerámicas, etc. No obstante, no solo la naturaleza del grano comentada anteriormente, sino el tamaño del grano, la porosidad y la dureza con la que el aglomerante retiene los granos, son factores relevantes para determinar la aplicación final de cada muela. ■■ Roscadoras: bajo este denominación debe entenderse unas máquinas portátiles, generalmente de accionamiento neumático, destinadas a la roscar agujeros de pequeño diámetro mediante machos de roscar. Como ya comentaremos en su momento, existen otras máquinas capaces de roscar y diferentes métodos para conseguirlo.

Figura 1.41.  Roscadora eléctrica y detalle del cabeza. Fuente: ROSCAMAT.

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1. Tipos de máquina-herramienta

■■ Sierras: conviene distinguir entre las sierras de cinta o sin fin (provistas de una cinta contínua soldada por sus extremos), las de movimiento alternativo y las radiales o de disco.

Figura 1.42.  Sierra de cinta. Fuente: GEMATO.

■■ Trepanadoras: máquinas taladradoras destinadas a la realización de taladros especialmente profundos, donde aparecen graves problemas de evacuación de viruta y que se resuelven generalmente con la introduccción de refrigerenate a presión y la evacuación al exterior de los residuos por el interior de brocas huecas utilizadas.

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1. Tipos de máquina-herramienta

RESUMEN ■

Los procedimientos de mecanizados estudiados están abarcados dentro de lo que se conoce como procedimientos de separación, consistentes en el arranque de parte de material de una pieza mediante el uso de las herramientas adecuadas.

■

El torno es una máquina-herramienta destinada básicamente al mecanizado de piezas de revolución, donde la pieza es el elemento revolucionado y la herramienta de corte avanza en una dirección determinada. Existen diferentes tipos de torno, entre los que cabe destacar el torno paralelo, el torno copiador, el torno revolver, el torno vertical y el torno al aire.

■

Las fresadoras son unas máquinas-herramientas destinadas a realización de operaciones de fresado, un tipo de mecanizado donde una herramienta de corte giratoria –con uno o más filos de corte- avanza en una determinada dirección sobre la pieza. En esta ocasión es la mesa la que soporta la pieza y la que se encarga de mover dicha pieza en un desplazamiento lineal controlado –avance-, enfrentándola de ese modo a la herramienta giratoria. Existen diferentes tipos de fresadoras, entre las que cabe destacar las fresadoras de columna fija, las fresadoras de columna móvil, las fresadoras de pórtico y las fresadoras universales.

■

La mandrinadora es una máquina-herramienta destinada al agrandamiento de agujeros, hasta darles el diámetro y la forma requerida. Trabajan con una herramienta de corte ajustable de gran precisión conocida como mandril.

■ ■

La taladradora es una máquina-herramienta destinada a la realización de taladrados, unas operaciones destinadas a obtener agujeros de un diámetro determinado. Las taladradoras pueden clasificarse en tres grandes grupos: taladradoras de sobremesa, taladradoras de columna y taladradoras radiales, a los que hay que sumar otras especializadas como las taladradoras multihusillo o las baterías de taladrado.

■

Las máquinas-herramientas citadas en este tema pueden ser gobernadas mediante CNC o Control Numérico Computerizado, lo que ha supuesto un importante salto cualitativo en los procesos de mecanizado de producción.

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2 UNIDAD DIDÁCTICA

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Teoría de mecanizado

2.  Estructura de la máquina-herramienta

2. Estructura de la máquina-herramienta

ÍNDICE OBJETIVOS.................................................................................................................................................................. 73 INTRODUCCIÓN......................................................................................................................................................... 74 2.1.  Estructura básica de una máquina-herramienta................................................................................................ 75 2.1.1.  Elementos estructurales.......................................................................................................................................... 75 2.1.2. Guías................................................................................................................................................................... 77 2.1.3.  Accionamientos del motor principal.......................................................................................................................... 81 2.1.4.  Accionamientos de avance..................................................................................................................................... 85 2.1.5.  Sistemas de medición............................................................................................................................................ 92 2.1.6.  Elementos adicionales............................................................................................................................................ 95 2.2.  Elementos concretos de una máquina-herramienta........................................................................................ 102 2.2.1.  Elementos del torno............................................................................................................................................. 102 2.2.2.  Elementos de la fresadora ................................................................................................................................... 125 2.2.3.  El utillaje en el fresado.......................................................................................................................................... 152

RESUMEN................................................................................................................................................................... 157

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2. Estructura de la máquina-herramienta

OBJETIVOS ■ ■

Conocer las principales partes que constituyen una máquina-herramienta de accionamiento manual para mecanizado mediante arranque de viruta. Conocer las principales partes que constituyen una máquina-herramienta de Control Numérico Computerizado o CNC para mecanizado, así como concretar en qué difieren de las máquinas convencionales de accionamiento manual.

■ ■

Conocer los diferentes accesorios y dispositivos auxiliares que suelen acompañar a este tipo de máquina-herramienta. Conocer el léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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Teoría de mecanizado

INTRODUCCIÓN

Lógicamente, pretender sintetizar en unas líneas todos los elementos que constituyen cualquier máquinaherramienta, resultaría una labor especialmente compleja. Hemos de ser conscientes de que en el área de la fabricacion mecánica ha existido y existe la posibilidad de encontrar maquinaria muy especializada, que precisaría una publicación extensísima y que difícilmente podría aunar los elementos integrantes de cualquier máquinas-herramienta a contemplar.

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Por este motivo, a lo largo de las siguientes líneas nos centraremos en describir y conocer los elementos fundamentales que forman parte de lo que podríamos denominar una máquina-herramienta convencional.

2. Estructura de la máquina-herramienta

2.1.  Estructura básica de una máquina-herramienta Las máquina-herramienta disponen de una serie de elementos comunes a todas ellas, independientemente del tipo de máquina considerado. Resumiéndolos en grandes grupos, los principales elementos de una máquinaherramienta son los siguientes: ■■ Elementos estructurales. ■■ Guías. ■■ Accionamientos del motor principal. ■■ Accionamientos de avance. ■■ Sistemas de medición. ■■ Elementos adicionales, como carenados, sistemas auxiliares de carga de piezas, etc. Gran parte de las máquinas-herramientas se encuentran gobernadas hoy día por un CNC o Control Numérico Computerizado: además de los elementos integrantes enumerados anteriormente, una máquina equipada con un CNC precisa de otros componentes –comenzando por la Unidad de Control y elementos asociadosque lógicamente podrían incluirse dentro de los elementos integrantes de algunas máquinas. Al final de la unidad, dada su especial importancia, se ahondará lo necesario en dicha tecnología.

El CNC puede definirse como un sistema de gobierno de máquinas automático, donde la secuencia de operaciones que han de ir ejecutándose se introduce mediante un código alfanumérico (letras, números y símbolos) conocido como lenguaje de programación CNC.

2.1.1.  Elementos estructurales Los elementos estructurales se caracterizan en toda máquina-herramienta por ser especialmente rígidos y por ser capaces de absorber las fuerzas generadas durante los procesos de mecanizado. Entre ellos encontraríamos las bancadas de las máquina-herramientas, que soportarán el resto de la construcción. No obstante, en este grupo introduciríamos otras partes de las máquinas como los carneros, consolas, etc. Las partes representativas de cada tipo de máquina-herramienta se estudiarán en un posterior apartado.

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Teoría de mecanizado

Habitualmente estos elementos se hallan muy sobredimensionados, al menos aquellos que habrán de soportar esfuerzos significativos. No obstante, las bancadas y otros de estos elementos se fabrican con una serie de oquedades (agujeros, alojamientos, huecos, etc) y nervaduras para alcanzar los siguientes objetivos: ■■ Aligerar la estructura en la medida de lo posible, sin perder la rigidez del conjunto. ■■ Posibilitar el montaje de otros elementos de la máquina. ■■ Posibilitar el paso de las conducciones eléctricas. En el tipo de máquinas que nos ocupa (torno y fresadora), el material más empleado es la fundición gris de alta calidad, ya que es muy resistente a la abrasión, absorbe mejor las vibraciones que el acero por su distribución microestructural homogénea, resulta económica y, ante todo, no se deforma. Por el contrario, el acero se deforma mucho con más facilidad y como consecuencia la máquina perdería precisión, especialmente en las piezas más grandes que conformasen la máquina-herramienta. Aquellos errores que se produzcan en los desplazamientos, se transmitirán a la herramienta y al producto obtenido.

Figura 2.1.  Insertar imagen de bancada de torno suelta.

Además, la fundición es un material más homogéneo que los perfiles de acero, por lo que cuando aparezcan grietas por fatiga, a consecuencia de la inevitable vibración, lo harán de forma aleatoria. Al no concentrarse en regiones concretas, éstas terminarán deteniéndose, haciendo por tanto preferible la fundición a los perfiles de acero.

La fundición gris (también llamada hierro fundido o hierro colado) es aquella en la que el carbono se encuentra en forma de láminas de grafito visibles al microscopio, y que son las que le dan ese color gris a las superficies de ruptura de las piezas.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Los fabricantes de máquina-herramienta más reputados realizaban la fundición mediante moldeo en arena, dejando a la intemperie durante mucho tiempo las partes así realizadas para que fuesen estabilizándose gracias a los múltiples ciclos de cambio de temperatura. Una vez se hallaban maduras, se mecanizaban dichas piezas. Antiguamente se dejaban a la intemperie unos dos años, aunque en la actualidad se realiza con un horno y a enfriamiento controlado, para liberar así las tensiones residuales

En la fundición en arena se procede al vaciado del metal fundido en un molde de arena, para dejarlo solidificar y después romper el molde para extraer la pieza.

Aunque algunas bancadas están realizadas mediante perfiles laminados de acero soldados, han de llevar un posterior proceso de horneado para normalizado y alivio de tensiones.

2.1.2.  Guías Los sistemas de guiado de las máquinas-herramientas constan de una guía, que sirve de referencia del movimiento, y de una contraguía, que se desplaza sobre la guía. Hablaremos a continuación de las guías principales, que se encargan del guiado de los carros del torno o la mesa de las fresadoras.

Figura 2.2.  Guias bancada de torno. Puede verse una chapa identificativa de su perfil.

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Han de servir de perfecto asiento y permitir un deslizamiento suave entre elementos. Dada la importancia crítica que poseen estos elementos para el buen rendimiento de la máquina, deben presentar estas características: ■■ Gran rigidez, para soportar los esfuerzos y pesos. ■■ Elevada dureza, para reducir el desgaste por los continuos desplazamientos. ■■ Estar fabricadas con una especial precisión (tolerancias muy estrechas y elevada calidad superficial). Todas estas consideraciones se tornan especialmente críticas en máquinas de considerable tamaño (por ejemplo grandes mandrinadoras) y en las que se produzcan desplazamientos rápidos (máquinas de CNC). En ocasiones las guías forman parte de la propia bancada, recibiendo un tratamiento de temple superficial para aumentar así la dureza y resistir el desgaste. En otras ocasiones las guías se hacen postizas, de acero templado y rectificado. En cualquier caso, las guías pueden ser de sección plana o prismática. Se determina según la longitud de las trayectorias y la dirección y la magnitud de los esfuerzos. Esta última sección es muy utilizada en torno, al ser autocentrante y reparte bien los esfuerzos, por lo que se conserva en buen estado durante tiempo.

Figura 2.3.  Bancada con guías de sección plana.

Figura 2.4.  Bancada con guías de sección prismática.

Las secciones planas exigen un buen ajuste mediante unas regletas que eviten desplazamientos indeseados (que se “salgan”, como se dice coloquialmente). Muchas máquinas las siguen empleando, como por ejemplo en las grandes mandrinadoras que han de soportar pesos realmente elevados. No obstante, un sistema de lubricación continuo hace que una película de aceite se interponga entre metal y metal, facilitando así los desplazamientos (efecto cuña). Es habitual la combinación de una guía prismática y otra plana, o más. La guía prismática es la encargada del guiado propiamente dicho, mientras que la guía plana queda reservada únicamente al mero deslizamiento.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.5.  Bancada con guías de sección prismática y plana combinadas en un torno.

Figura 2.6.  Bancada de torno.

La contraguía, por su parte, puede estar recubierta de un material más blando, para facilitar el intercambio de solo un elemento y no dos (como sucede con los cojinetes de bronce), y sometérsele a un rasqueteado para facilitar un correcto deslizamiento y la lubricación durante el funcionamiento.

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El rasqueteado plano es un método de acabado superficial para terminar superficies donde se requiere la mayor precisión posible. Requiere una gran habilidad del operario. Se realiza sobre superficies que han sido mecanizadas previamente, donde siempre quedan rayas: si se deslizan entre sí superficies con rayas, se genera gran resistencia al deslizamiento y las superficies se desgastan de forma considerable. Mediante el rasqueteado, se eliminan los rebordes de dichas rayas y se facilitará el deslizamiento.

Por supuesto también hay otras guías en las máquina-herramientas: por ejemplo en los tornos, además de las guías principales ubicadas en la bancada, hallamos también guías en el eje transversal y en el charriot, donde la sección de las guías tienen forma de cola de milano.

La reparación de las guías Tarde o temprano, los desplazamientos continuados bajo condiciones severas, harán que las guías sufran una deformación plástica (fluencia). Como consecuencia se produce un guiado impreciso, una mala absorción de las vibraciones, elevada fricción y un alto desgaste, reduciéndose su vida útil. Pueden existir otros factores, como por ejemplo la deficiente eliminación de las escorias tras el rectificado de las guías, que a la larga se verán dañadas. Para ello, cabe citar las siguientes consideraciones: ■■ Rectificado de las guías. Se efectúa en talleres especializados en rectificados de este tipo. En ocasiones, cuando se hallan en mal estado, puede necesitarse efectuar un recrecido previo del material faltante, para después fresar y rectificar. Como ya se ha comentado, un rasqueteado final facilita los desplazamientos y la lubricación al minimizar el roce. ■■ Sustitución de las guías. Aunque puede parecer una solución radical, el precio de muchas máquinas adquiridas a fabricantes asiáticos, hacen que el rectificado pueda resultar casi tan caro como la propia sustitución por un elemento nuevo. ■■ También puede efectuarse la instalación de guías de deslizamiento de PTFE (politetrafluoretileno, conocido comercialmente como teflón, una marca comercial registrada de DuPont). Es un material plástico de alta resistencia química, auto lubricante y resistente a altas temperaturas. Como es relativamente blando, para máquinas-herramientas se le somete a una cementación –un tratamiento químico de la superficie de los productos de PTFE, que permite su adhesión sobre otros materiales, como el metal. No obstante, existen otros materiales muy interesantes para las guías, como el Turcite®-B, un plástico con baja fricción para guías de deslizamiento lineales usado igualmente en mesas y bancadas de máquinas. Se trata de teflón preparado para soportar cargas (bronce - grafito - fibra de vidrio).

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Se encola a las superficies metálicas con una resina epoxy de dos componentes, una vez limpias. Otro material interesante es el polímero técnico de altas prestaciones comercializado como ZEDEX®, de similares características. En general, este tipo de materiales presentan las siguientes características: ■■ Baja fricción y alta resistencia al desgaste, proporcionando movimientos sin tirones (stick-slip), desgaste mínimo y poca potencia consumida. ■■ Seguridad en caso de baja o nula lubricación (trabajo en seco). Muy interesante para seguir operando en caso de fallo de lubricación. ■■ Resistencia química contra los lubricantes/refrigerantes (coolants), poca absorción de la humedad. ■■ Precisión de trabajo y repetibilidad de los movimientos de trabajo. ■■ Absorben vibraciones durante el mecanizado. ■■ No necesitan apenas mantenimiento.

Cuando escuchemos expresiones como el “turcitado” de un torno, por ejemplo, nos hallaríamos ante el arreglo de unas guías mediante el uso de Turcite®-B. Podremos encontrar expresiones coloquiales basadas en el uso de materiales similares.

2.1.3.  Accionamientos del motor principal Los accionamientos de este tipo están destinados a transmitir el movimiento o giro del eje principal, también llamado movimiento de corte. Dicho giro se transmite de tres posibles formas: ■■ Mediante poleas y correas. ■■ Mediante engranajes. ■■ Accionamiento directo. ■■ Electrohusillos. En maquinaria convencional, el movimiento lo imprime un motor eléctrico que transmite su giro al husillo principal mediante un sistema de poleas-correas, engranajes, o mixto. En el sistema de transmisión mediante poleas y las correspondientes correas, éstas pueden ser de perfil dentado, para lograr una transmisión más eficiente al evitarse que patinen.

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Figura 2.7.  Sistema clásico de motor y poleas-correas..

En los tornos, el husillo principal tiene acoplado en su extremo el correspondiente sistemas de sujeción de la pieza a tornear (platos de garras o pinzas por regla general), mientras que en las fresadoras, es el encargado de transmitir el movimiento de giro a la herramienta. En máquina-herramienta CNC, no obstante, y especialmente cuando se alcanzan elevadas RPM, podemos encontrar accionamientos directos del motor al husillo. Con este tipo de accionamiento, se evitan las pérdidas por rozamiento inherentes a los otros sistemas comentados.

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Figura 2.8.  Modos de acoplamiento.

Dentro de los accionamientos directos para altas prestaciones cabe recalcar el empleo de los electrohusillos, un tipo de husillos que llevan integrado el motor dentro del eje, permitiendo así un diseño mucho más compacto y alcanzar velocidades realmente elevadas. Entre las ventajas de los electrohusillos cabe citar las elevadas velocidades de giro alcanzables y la facilidad de equilibrar el conjunto, pero no ha de pasarse por alto su elevadísimo precio alto, su especial sensibilidad a impactos debidos a los rodamientos empleados y la necesidad de un equipo lubricante. Los rodamientos deben estar precargados para una concentricidad óptima y una elevada precisión de guiado. Además han de ser térmicamente resistentes, ya que debido a las pérdidas eléctricas, se generan temperaturas de hasta 150 grados centígrados en el rotor durante el funcionamiento que provocan unas diferencias de temperatura entre el eje y el alojamiento que estos rodamientos han de compensar.

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Figura 2.9.  Electrohusillo, carcasa exterior. Foto: EMCO.

Figura 2.10.  Electrohusillo, interior. Foto: SCHAEFFLER.

El electrohusillo es actualmente el sistema de accionamiento principal más empleado en máquinas MAV.

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Bajo las siglas MAV (Mecanizado Alta Velocidad) o HSM (High Speed Cutting), puede entenderse el fresado combinando altas velocidades de rotación y de avance. Se emplea en el mecanizado de aleaciones ligeras con alto índice de arranque de viruta, matrices y materiales templados. Reduce las fuerzas de corte, así como la cantidad de calor que es trasmitida a la pieza.

Por último, recordaremos que, de emplearse diferentes motores para el accionamiento principal y los accionamientos de avance (como sucede en máquinas-herramienta CNC), tanto el motor como los accionamientos del motor principal han de poseer un mayor tamaño y potencia que los accionamientos de avance.

2.1.4.  Accionamientos de avance Los accionamientos de este tipo están destinados a transmitir el movimiento a los ejes de desplazamiento. En los tornos se precisa dotar a los carros (y con ello a la herramienta de corte) de la posibilidad de desplazarse longitudinal y transversalmente. En los fresadoras, se precisa dotar a la mesa o la herramienta de corte de la posibilidad de desplazarse longitudinal, transversal y verticalmente.

En torneado mediante CNC, los ejes de desplazamiento longitudinal y transversal se identifican como ejes Z, X respectivamente. En fresado CNC, los ejes de desplazamiento longitudinal, transversal y vertical se identifican como ejes X, Y, Z respectivamente.

Existen diferentes tipos de accionamientos. ■■ Sistema tornillo-tuerca. ■■ Sistema husillo a bolas. ■■ Sistema de motor lineal. ■■ Sistema piñón-cremallera.

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Estas son las características principales de los mismos: ■■ Sistema tornillo-tuerca: en este sistema, también conocido como husillo-tuerca, el giro del tornillo sin fin (husillo) se transforma en movimiento lineal de la tuerca. El husillo es en realidad una barra roscada con rosca de perfil cuadrado, idóneo para asegurar una correcta transmisión de los esfuerzos. Este sistema implica siempre algo de juego, que deberá ser compensado por el operario en el movimiento de regreso a la posición de partida. El sistema de husillo a bolas que comentaremos a continuación evitará precisamente dicha holgura indeseada, pero se aplica por regla general en máquinas-herramientas CNC.

■■ Sistema husillo a bolas: está basado en un sistema husillo-tuerca, donde el giro del husillo se transforma en movimiento lineal de la tuerca. Para eliminar las holguras y el desgaste por rozamiento entre el husillo y la tuerca, se introducen unas bolas intermedias que ruedan entre ambos.

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Figura 2.11.  Husillo de bolas. Fuente: MECTROL.

Figura 2.12.  Elegir alguna foto similar a éstas, quizás las 2 últimas..

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Evidentemente es más complejo y requiere de más componentes que el sistema tornillo-tuerca, pero evita las holguras indeseadas. A pesar de ello, también aquí es inevitable un desgaste por el contacto entre las piezas. Es el método de accionamiento más empleado en maquinaria CNC, y cumple con los requisitos que exigen la gran mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, la velocidad máxima se halla limitada por la velocidad crítica del husillo, y el conjunto presenta una elevada inercia. Para aplicaciones de alta velocidad, por ello, es más deseable recurrir al uso de motores lineales. La transmisión puede ser directa o indirecta, según el motor se halle acoplado o no directamente al husillo. ¿Transmision directa o indirecta? Las ventajas de la transmisión directa estriban en un menor número de elementos de transmisión, lo que implica menores costos, una reducción de inercias y de consumos. Es una opción recomendable en máquinas CNC donde se efectúen desplazamientos a velocidades elevadas. Como desventajas, han de incluir algún método de desahogo para poder absorber las variaciones de longitud del husillo debidas a la dilatación térmica, limitándose por tanto la rigidez. Además, la velocidad crítica del husillo limita la velocidad máxima.

Figura 2.13.  Servo Motor para husillo de avance.

Figura 2.14.  Transmisión directa.

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Entre las ventajas de la transmisión indirecta cabe resaltar que la transmisión y el paso del husillo permiten ajustar las características de par requeridas. Además, la disposición de los elementos de la transmisión, permiten conferir al conjunto una mayor flexibilidad y capacidad de absorber variaciones. Por todo ello, sigue siendo la opción más utilizada en máquinas CNC. Evidentemente, como desventaja, el mayor número de componentes implica un mayor coste de los mismos y consumos más elevados por pérdidas.

Figura 2.15.  Transmisión indirecta.

■■ Sistema de motores lineales: utilizados en máquinas-herramientas de CNC más modernas, está basado en la utilización de un motor con rotor y estator plano. La explicación habitual es que se trata de un motor rotatorio “desenrollado”, es decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano. Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentran los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer, aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto con las guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de accionamiento lineal. Al no haber contacto entre primario y secundario, se eliminan desgastes y rozamientos.

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Además, han de añadirse unas guías lineales para acompañar el movimiento, así como unas reglas ópticas en dichas guías para poder medir la posición de estos ejes. Las pérdidas electromagnéticas hacen que se genere una gran cantidad de calor, por lo que es necesario disponer del correspondiente refrigerador.

Figura 2.16.  Motor lineal. Fuente: SIEMENS.

Entre las ventajas, debidas en gran parte a la eliminación de los elementos de transmisión mecánica, cabe citar: □□ Capacidad para alcanzar altas aceleraciones y velocidades. Unos mayores valores de aceleración son muchas veces más importante que el valor de la velocidad máxima para reducir los tiempos de mecanizado, especialmente en Mecanizado de Alta Velocidad. □□ Alta precisión en el posicionado cuando se desplaza a altas velocidades (se percibe una notable mejora en la calidad de la interpolación así como velocidad y precisión en contorneado). □□ Reducción de las vibraciones. □□ Como consecuencia de no haber contacto físico, no se producen fenómenos de desgaste. □□ Disponibles con cualquier longitud que se precise. □□ Fácil montaje de los componentes.

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Entre las desventajas, cabe citar: □□ Elevados costes. □□ Fuerza limitada frente a la que puede proporcionar un accionamiento basado en husillos de bolas. □□ La eficiencia energética es baja debido a la generación de grandes pérdidas en forma de calor (es imprescindible utilizar un refrigerador para enfriar el motor lineal). □□ Debe incorporarse una electrónica extra que amortigüe los cambios de carga repentinos u otras perturbaciones mecánicas (ya que no se dispone de elementos de transmisión mecánica), lo que incrementa sensiblemente el coste. En el supuesto de que se interrumpiese el suministro de corriente eléctrica, el motor lineal queda a merced de las fuerzas gravitatorias; por ello han de utilizarse frenos y sistemas de compensación. □□ Necesario aislar escrupulosamente las guías para proteger de la viruta. En la tabla siguiente (fuente High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief) puede observar las notorias ventajas que ofrece un motor lineal en comparación a un motor clásico que accione un husillo a bolas. Husillo a bolas

Motor lineal

Velocidad máxima.

0,5 m/s

2 m/s

Aceleración máxima.

0,5 - 1g

2-10 g

9-18 kgf/mm

6-21 kgf/mm

Tiempo posicionado.

100 ms

10-20 ms

Fuerza máxima.

26700 N

9000 N (bobina)

6000 - 1000 h

50000 h

Rigidez dinámica.

Fiabilidad.

Figura 2.17.  Tabla comparativa entre accionamiento tradicional y motor lineal.

■■ Sistema piñón-cremallera: es muy útil cuando los recorridos son especialmente largos en grandes fresadoras y mandrinadoras CNC. No ha de olvidarse que los accionamientos con husillos de bolas pierden rigidez si no se incrementa el diámetro, lo que implica un gran aumento de la inercia que debe mover el motor. Por el contrario, la transmisión piñón-cremallera presenta una inercia y rigidez independiente del recorrido.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.18.  Sistema piñón-cremallera. Fuente: REDEX-ANDANTEX.

Para evitar las holguras entre la holgura entre dientes (entre la cremallera y el piñón), pueden emplearse dos sistemas: □□ Piñones precargados para evitar holguras. □□ Dos piñones en maestro-esclavo, donde la holgura es eliminada mediante estrategias de control.

2.1.5.  Sistemas de medición En máquina-herramienta de accionamiento manual, como tornos paralelos o fresadoras universales, la medición de los desplazamientos realizados corre a cargo del operario. Para efectuar los desplazamientos, basta con dar las vueltas necesarias a unos volantes (la máquina dispondrá de un volante por cada eje a desplazar). Cada unos de estos volantes incorpora el correspondiente tambor micrométrico que, al estar graduado, permite conocer al operario cuál es el desplazamiento realizado.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.19.  Tambor graduado. Cada rayita equivale a 0.05 mm.

Además, existe la posibilidad de forzar los desplazamientos de forma automática, embragando mediante unas palancas, los controles de avance automático. Una vez se alcanza la posición, puede fijarse el elemento desplazado apretando un tornillo de fijación, evitando así desplazamientos indeseados. En máquinas-herramienta CNC, sin embargo, el control de los desplazamientos (realizados mediante los correspondientes motores eléctricos) se efectúa mediante captadores de posición. Estos captadores de posición transforman una medición de carácter mecánico (como desplazamientos lineales, ángulos de giro, etc) en un tren de impulsos eléctricos directamente proporcionales al movimiento que se haya efectuado. Una posición es reconocida por el control numérico como la suma de los impulsos recibidos tras el inicio del movimiento (valor incremental), o como un valor respecto a un punto fijo (valor absoluto). Por tanto un captador puede proporcionar una señal de tipo analógico o de tipo digital, pero en cualquier caso el control solo puede interpretar señales digitales, por lo que se necesita la presencia de un conversor A/D (conversor analógico-digital) para las señales analógicas.

Captadores analógicos o captadores digitales En un captador digital, las señales de salida son impulsos eléctricos generados por la falta o la presencia de luz. El conjunto del captador está formado por una fuente de luz mediante diodos LED, un fotorreceptor para captar dicha luz y una regla o un disco con unas minúsculas zonas opacas y otras transparentes (dicha regla o disco pueden estar fabricados en metal o vidrio). Los impulsos se generan ante la interrupción consecutiva del haz de luz por las mencionadas zonas opacas.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.20.  Captador tipo encóder.

En un captador analógico la señal de salida está en función de la resistencia eléctrica, resultando totalmente continua (ya no se trata de un tren de impulsos como en la señal digital) y directamente proporcional al desplazamiento efectuado.

Figura 2.21.  Captador Inductosyn (bobinado de cobre en circuito impreso).

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Captadores lineales o captadores rotativos Los captadores pueden tener forma de regla o de disco giratorio. Los captadores de regla solo tienen capacidad para informar de la posición tras un desplazamiento lineal (por ejemplo instalado en la mesa de una fresadora), mientras que los captadores de disco también pueden informar de la posición tras un desplazamiento angular (por ejemplo instalado en un plato divisor para efectuar una medición en grados de desplazamiento). Si un captador rotativo se acopla al extremo de un husillo (como el de la mesa de una fresadora), la captación es de tipo indirecto y habrá que llevar a cabo una conversión del desplazamiento angular (revoluciones de giro) a desplazamiento lineal para poder determinar el recorrido.

Figura 2.22.  Sistema rotativo indirecto.

2.1.6.  Elementos adicionales Evidentemente, las máquinas-herramientas pueden disponer de otros elementos adicionales a los ya comentados, especialmente en máquinas CNC (como por ejemplo carenados, sistemas auxiliares de carga de piezas, almacenes de herramientas en centros de mecanizado, recogedores, seguridades, etc). Por supuesto son de vital importancia los circuitos destinados a la lubricación, refrigeración y accionamiento de componentes, como podremos ver a continuación. Obviamente, es fácil que gran parte de lo comentado en estos párrafos se aplique en máquinas-herramientas CNC. Pasaremos a comentar los aspectos más relevantes en este sentido.

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Teoría de mecanizado

Sistema de refrigeración de las herramientas En muchas máquinas-herramientas está presente un sistema de refrigeración compuesto por los elementos típicos (bombas de alta o baja presión, filtros, reguladores, conductos y espitas, etc), para el suministro de refrigerante en el punto de corte de la herramienta. Actualmente se ha desarrollado de manera notable el mecanizado en seco, con el que se consiguen evidentes ventajas, como evitar los contrastes térmicos bruscos cuando el aporte de fluido refrigerante falla puntualmente, economía en el gasto en fluidos refrigerantes, y por supuesto, desde el punto de vista medioambiental. Solo algunas herramientas tienen capacidad para trabajar en seco, fundamentalmente plaquitas de corte de cerámica; sin embargo, en una máquina se trabajará obviamente con más de un tipo de herramienta, por lo que gran parte de las mismas precisarán ser refrigeradas durante el corte y no podrá prescindirse del equipo de refrigeración y los fluidos. Una solución atrayente es la aplicación de refrigeración por niebla, donde el refrigerante es suspendido como niebla en el aire, y luego aplicado al filo de la herramienta. Este método puede ser utilizado con bastante éxito en operaciones asociadas a los taladrados. Igualmente, puede resultar muy interesante la aplicación del sistema MQL (“Minimal Quantity Lubrication” o Mínima Cantidad de Lubricante), donde el sistema pulveriza aceite, eliminándose así la refrigeración mediante grandes cantidades de lubricantes acuosos convencionales. Con ello se puede lograr un mejor acabado superficial, casi doble duración del filo de la herramienta y eliminación de residuos, en un proceso de mecanizado más limpio desde el punto de vista medioambiental –unos 30cc de refrigerante por cada 8 horas continuas de mecanizado-.

Figura 2.23.  Conducciones flexibles para el aporte de refrigerante en el punto de corte. Fuente: EMCO.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.24.  Bomba del circuito del refrigerante. Fuente: EMCO.

Lo cierto es que en máquina-herramienta convencional como tornos y fresas manuales destinadas a labores puntuales –por ejemplo en mantenimiento-, podemos encontrar maquinaria en la que falta este dispositivo y se supla aportando el líquido refrigerante directamente desde una botella. Este caso se produce lógicamente en máquinas relativamente antiguas o por mera economía. Los fluidos de corte más utilizados son los que se detallan a continuación: ■■ Aceites minerales: son aceites obtenidos a partir de la destilación del petróleo. Tienen una capacidad de refrigeración buena, pero son poco lubrificantes y poco anti-soldantes. Como ventaja cabe destacar que no se oxidan fácilmente. Se emplean para el mecanizado de aleaciones ligeras y en algunas ocasiones para operaciones de rectificado. ■■ Aceites vegetales: son aceites obtenidos a partir del aceite de colza y otras semillas. Tienen una capacidad de lubricar y de refrigerar buenas, pero tienen un escaso poder anti-soldante. Se oxidan con facilidad. ■■ Aceites mixtos: mezclas de aceites vegetales y minerales -vegetales en proporción del 10% al 30%-. Tienen una buena capacidad lubrificante y refrigerante, con la ventaja de que resultan más económicos que los vegetales. ■■ Aceites al bisulfuro de molibdeno: tienen capacidad de lubricar a elevadas presiones y de facilitar el deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta. No se consideran aptos para el maquinado de metales no ferrosos, ya que originan corrosiones en la superficie de las piezas trabajadas –no obstante existen los llamados ‘aceites inactivos’, obtenidos con una mezcla de bisulfuro

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Teoría de mecanizado

de molibdeno y aceite vegetal. ■■ Aceites emulsionables: se obtienen mezclando el aceite mineral con agua. Aunque obviamente siempre es deseable una gran calidad de los componentes del sistema en general y los refrigerantes, destacaremos un aspecto vital –pero a menudo olvidado- como es un eficaz proceso de purificación mediante la incorporación de unos filtros adecuados. Como resultado del mecanizado se generan virutas, pero también aparecen contaminantes externos que terminan depositándose en los fluidos –residuos de desgaste de la máquina, aceite residual, polvo, etc.). Al tratarse de fluidos sometidos a una temperatura superior a la del ambiente, se favorece el desarrollo de bacterias que, con el tiempo, degradan la calidad del refrigerante.

Sistema de lubricación No debemos confundir el anterior circuito de refrigeración para las herramientas de corte, con el sistema de lubricación encargado de garantizar el suministro de una cantidad mínima de lubricante que garantice el correcto funcionamiento de los órganos móviles de la máquina (cajas, transmisiones, rodamientos, ejes y guías fundamentalmente).

Se llama lubricante a toda sustancia sólida, semisólida o líquida, de origen animal, mineral o sintético destinada a reducir el rozamiento y facilitar el movimiento entre dos piezas solidarias en movimiento.

Como es de suponer, la puesta en marcha de los elementos mecánicos de la máquina exigirá lubricar las superficies que entran en contacto, además de mantener las temperaturas de trabajo dentro de unos márgenes tolerables. Entre los tipos de lubricantes más empleados, diferenciaremos los siguientes: ■■ Aceites minerales: proceden del petróleo, tras una serie de procesos en las refinarías. El más indicado para obtener aceites es el crudo parafínico. ■■ Aceites sintéticos: no se obtienen de modo directo del petróleo, sino que se crean a partir de sub-productos petrolíferos combinados en procesos de laboratorio. Como es de suponer, esta compleja elaboración hace que resulten más caros que los aceites minerales. En los sistemas de lubricación centralizada, se emplea una bomba para enviar automáticamente grasa o aceite desde un depósito central hacia los puntos que se desea lubricar. Todos los puntos de lubricación reciben un suministro óptimo de lubricante, ya que el sistema se encarga de aportar de forma exacta en cada punto la cantidad especificada por los fabricantes de maquinaria. Este sistema ayuda a incrementar notoriamente la vida de los elementos de la máquina y a reducir el consumo de lubricante.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.25.  Sistema lubricación MQL. Fuente: STEIDLE.

Grupos neumáticos e hidráulicos Algunas máquinas-herramientas incorporan un grupo compresor para la generación de aire comprimido, para el posible accionamiento de dispositivos automatizados como puertas, platos y contrapuntos, etc. En las fresadoras y centros de mecanizado, se efectúa un breve “soplado” de los conos de amarre de las herramientas antes de ser ubicados en su posición, para evitar viruta indeseada entre el cono y el alojamiento. También pueden incorporan un grupo hidráulico para el accionamiento de las garras de los platos, mordazas de amarre y contrapuntos, ofreciendo más fuerza y seguridad que el accionamiento manual o neumático.

Carenados Los carenados son típicos en muchos tornos y fresadoras de CNC, con objeto de asegurar la limpieza, seguridad, funcionalidad y estética. La limpieza del entorno de trabajo se hace especialmente crítica en máquinas CNC, con altos regímenes de corte y gran cantidad de viruta formada, para evitar los vertidos de refrigerantes y aceites, así como las proyecciones de virutas. La protección del operario resulta igualmente importante, para intentar evitar posibles atrapamientos y golpes. Cara a la funcionalidad de la máquina-herramienta, resultan importantes un fácil montaje y desmontaje mediante sistemas modulares, facilidad de acceso al interior –para manejo de piezas, útiles, herramientas y tareas de mantenimiento-, y una adecuada calidad y resistencia de los componentes. La funcionalidad supone por tanto una parte crítica en el diseño de una buena máquina.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.26.  Torno-fresa, con cabezal de fresado efectuando taladrado oblicuo . Fuente: EMCO.

Aunque sin el grado de sofisticación comentado anteriormente, las máquinas convencionales –como tornos paralelos y fresadoras universales-, actualmente incorporan también pantallas protectoras de policarbonato, elementos de seguridad para evitar accionamientos simultáneos, etc.

Accesorios para automatización Aun tratándose de un aspecto muy amplio, en máquinas-herramienta CNC generalmente podemos hallar elementos que ayudan en la automatización de los mecanizados, o al menos incrementan la productividad. Entre ellos podemos mencionar los alimentadores de barra en tornos, evacuadores de viruta, intercambiadores de pallets, brazos robotizados para intercambio de piezas, recogedores de piezas, etc.

Figura 2.27.  Dispositivo de recogida de piezas. Fuente: EMCO.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.28.  Alimentador de barras. Fuente: HAAS.

Figura 2.29.  Centro de Mecanizado con evacuador de viruta. Fuente: HAAS.

Las fresadoras de más de tres ejes y los centros de mecanizado pueden incluir un plato divisor o mesas giratorias de uno ó dos ejes: por su importancia, se tratarán más adelante.

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Teoría de mecanizado

2.2.  Elementos concretos de una máquina-herramienta En el capítulo anterior hemos visto las partes que podríamos considerar genéricas para todo tipo de máquina-herramienta. En los capítulos posteriores, sin embargo, concretaremos aquellas partes que conforman una máquina-herramienta concreta. Lógicamente, existe una amplia gama de accesorios más o menos específicos que pueden convertir a cada una de estas máquinas en un pequeño mundo en particular.

2.2.1.  Elementos del torno A continuación vemos las partes más relevantes que podemos encontrar en un torno paralelo. Recordemos que el torno es una máquina-herramienta donde la pieza a mecanizar, sujetada en lo que denominaremos el plato del torno, posee un movimiento de rotación sobre su eje. El corte se logra gracias a una herramienta montada en la torreta, capaz de realizar movimientos de avance lineal –longitudinal y transversal- gracias al carro principal y el carro transversal respectivamente.

Figura 2.30.  Torno paralelo. Fuente: PINACHO.

Salvando las diferencias, los demás tipos de tornos existentes –que ya se explicaron en la Unidad 1- presentan por regla general los mismos elementos que se describirán a continuación.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

El torno se divide en cuatro partes principales, más los correspondientes accesorios: ■■ Bancada. ■■ Cabezal fijo. ■■ Cabezal móvil. ■■ Carro portaherramientas. ■■ Accesorios.

2.2.1.1.  Bancada Como ya vimos al principio de esta unidad, es la parte en la que se apoyan las demás del torno. Es un zócalo de fundición soportado por uno o más pies, y que sirve de apoyo y guía a las demás partes del torno. Normalmente es de fundición gris perlítica de la mejor calidad, muy dura y frágil, capaz de soportar las fuerzas que se originan durante el trabajo sin experimentar deformaciones apreciables que pudieran falsear la medidas de las piezas mecanizadas, aún en los casos más desfavorables. Precisamente incluye unos nervios centrales para facilitar la resistencia. Se ancla al pavimento gracias a los pies que incorpora. Precisamente, un anclaje y nivelación adecuados son temas de vital importancia para un correcto funcionamiento de la máquina -mediante hormigón, tornillos de regulación, silenblocks, etc-. Como ya se comentó, su parte más significativa son las dos guías, que sirven precisamente de asiento y guía para el carro y el contrapunto del torno. A veces las guías forman parte de esta estructura, y en otras ocasiones se hacen postizas, de acero templado y rectificado. Puesto que habrán de soportar el continuo desplazamiento de ambos elementos, han de hallarse perfectamente rasqueteadas o rectificadas, además de haber recibido un tratamiento de temple superficial para resistir el desgaste por el roce continuado.

2.2.1.2.  Cabezal fijo El cabezal fijo es una caja de fundición ubicada en el extremo izquierdo de la bancada, sobre la bancada. Esta caja puede hallarse fijada a dicho extremo mediante tornillos o bridas, o formando parte de la misma. Contiene una serie de partes que comentaremos a continuación: ■■ El husillo principal, que es el que proporciona el movimiento de rotación a la pieza torneada. Suele tratarse de un eje de acero al cromo-níquel templado de buena calidad que sujeta el dispositivo de amarre –generalmente plato de amarre o pinzas-, pero hueco interiormente para permitir el paso por su interior de barras del material a trabajar de gran longitud (de 3 ó 6 metros, que es el estándar comercial).

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Teoría de mecanizado

Para soportar este husillo y que quede perfectamente guiado, sin desviaciones ni vibraciones, suele utilizarse rodamientos de rodillo cónicos, que ofrecen un rozamiento muy pequeño. ■■ Un motor eléctrico, que imprime un primer movimiento de rotación que se transmite al conjunto de engranajes y poleas comentado a continuación. ■■ Un conjunto de engranajes y/o poleas de sección trapecial, que relacionan el movimiento de rotación del motor y el husillo principal, permitiendo al operario por medio de las palancas adecuadas seleccionar las velocidades de giro y avances automáticos deseados. Incluye un selector de velocidad de giro, un selector de unidad de avance (conocido como Caja Norton y reconocible por el elevado número de engranajes) y un selector de sentido de avance. Esta caja Norton permite la obtención de diferentes velocidades de forma rápida y sencilla, sin tener que recurrir como antaño al cambio de las ruedas de recambio en la lira, sin duda mucho más lento y engorroso.

No obstante, existe la posibilidad de incorporación de variadores electrónicos u oleohidráulicos de velocidad, especialmente en las máquinas más modernas o gobernadas mediante CNC.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

A continuación identificaremos con más detalles las partes más significativas que pueden localizarse en esta parte del torno (el motor eléctrico no se visualiza en la siguiente imagen):

Figura 2.31.  Detalle de cabezal de torno.

■■ Caja de velocidades: dado que el motor eléctrico gira a una velocidad constante, desde la caja de velocidades el operario puede determinar la velocidad y el sentido de giro del eje principal del torno, donde va acoplado el plato de amarre (1) y en definitiva la pieza (2). En la imagen puede verse las palancas de las posibles velocidades (3 y 4) y de inversión de giro (12). ■■ Caja de avances: desde la caja de avances el operario puede determinar la velocidad a la que se desplazarán los carros cuando se introduzca el modo de avance automático (en lugar del accionamiento manual mediante giro de manivela). La velocidad se sincroniza, gracias a esta caja, con el movimiento del eje principal torno, expresándose en milímetros por revolución (milímetros avanzados por el carro, por cada vuelta que dé la pieza). En los tornos más clásicos, como hemos visto en una de las imágenes anteriores, en la parte interior izquierda de la caja se encontraría la lira, que determina la relación de transmisión entre el eje principal y la caja de avances mediante engranajes desmontables. También pueden establecerse diferentes relaciones para roscar en diferentes sistemas (roscas métricas, whitworth, etc) y los correspondientes pasos. Generalmente suele haber una chapa identificativa (11) donde, a modo de guía, se indica cómo deben posicionarse las palancas (7, 8, 9, 10) para establecer esas relaciones.

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Teoría de mecanizado

■■ Ejes de avances: trasmiten el movimiento de avance de la caja de avances al carro principal. Podemos encontrar los siguientes ejes: □□ El Eje de cilindrar (5) es el encargado de trasmitir un movimiento rotativo al carro principal, donde es transformado en movimientos de desplazamiento del carro longitudinal o transversal, para efectuar las operaciones de cilindrado y refrentado. Se puede cambiar la dirección desde la palanca de inversión de giro (12). □□ El Eje de roscar (6), cuando se encuentra embragado, avanza longitudinalmente a la velocidad adecuada para efectuar una operación de roscado. El avance para el roscado es siempre mayor que el del cilindrado. El avance necesario para el roscado se determina previamente en relación a la velocidad de giro del husillo y del paso de la rosca, gracias las palancas comentadas (7, 8, 9, 10).

2.2.1.3.  Cabezal móvil El cabezal móvil permite el apoyo al borde externo de la pieza a mecanizar, en el caso de piezas largas. En ocasiones también se le denomina contra cabezal.

Figura 2.32.  Detalle de contrapunto.

Este conjunto es desplazado por el operario hasta cerca del lugar deseado, donde se bloquea mediante la correspondiente palanca (1). Una vez ya fijado, se gira el volante (2) para hacer avanzar el contrapunto (3), hasta hacer tope con la pieza a tornear. Como veremos más adelante, para ello debemos realizar previamente un pequeño taladrado con las denominadas broca de centrar. La palanca o freno (4) se encarga

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2. Estructura de la máquina-herramienta

del bloqueo del contrapunto, impidiendo un retroceso indeseado. Una vez finalizada la operación de apoyo de la pieza larga torneada, basta con desbloquear las dos palancas citadas para el retroceso del conjunto. La base (5) y el cuerpo (6) de fundición son piezas fijadas entre sí mediante tornillos que, tras aflojarse, permiten un ligero desplazamiento transversal del cuerpo con objeto de mecanizar conos con un pequeño ángulo de inclinación. Este cuerpo posee un agujero paralelo coincidente con el eje longitudinal del torno. En él se aloja un eje hueco llamado pínula, manguito o cañón, que posee en su extremo izquierdo un alojamiento cónico Morse hembra, donde se acopla el contrapunto comentado –provisto a su vez de un mango Morse-.

El cono Morse es un sistema de acoplamiento cónico muy eficiente, de colocación rápida y sencilla. El cono Morse puede ser macho o hembra. Los conos Morse hembras se hallan en el contrapunto del torno y en las taladradoras, para podar acoplar en ellos los portabrocas –con cono Morse macho-, las brocas de gran diámetro con mango de cono Morse directamente, o los puntos del torno. Están normalizados en conicidad y longitud, designándoseles por una numeración

En el otro extremo hay una tuerca de bronce, que junto a un tornillo interior solidario con el volante, facilita la extracción del contrapunto. Ello posibilita que pueda desalojarse fácilmente el contrapunto, y puede sustituirse por un portabrocas de cono Morse para ubicar brocas, escariadores y mandriles.

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Teoría de mecanizado

Por consiguiente, el cabezal móvil puede utilizarse indistintamente para el posicionado correcto de piezas largas y para operaciones de perforación –a lo largo del eje de revolución de la pieza-.

Para la colocación del contrapunto o herramientas en la pínula, ésta debe sobresalir del cuerpo más de cinco centímetros. El operario introducirá manualmente el elemento a introducir, con un ligero golpe final para que ‘clave’ en el agujero Morse extremo. Para sacarlo, se da vueltas a la manivela (2) para hacer retroceder la pínula, hasta que se suelten. Para la sujeción mediante contrapunto, ha de taladrarse previamente la pieza mediante una broca de centrado o brocas NC en máquinas de control numérico. En ocasiones se requerirá el uso de contrapuntos diferentes; por ejemplo las piezas endurecidas requieren un contrapunto de metal duro y diámetros específicos de taladrado.

Figura 2.33.  Insertar fotos de broca de centrar y broca NC. Fuentes: “BROCAS-DE-CENTRAR IZAR” y “BROCAS NC DE YAMAWA”.

2.2.1.4.  Carro portaherramientas Tal y como su nombre indica, el conjunto conocido como carro portaherramientas, sirve para la sujeción y desplazamiento de la herramienta de corte. La herramienta ha de poder acercarse a la pieza, para lograr la profundidad de pasada adecuada, para a continuación desplazarse con un movimiento de avance para lograr el mecanizado de revolución deseado.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.34.  Detalle de carros.

Los desplazamientos adecuados se consiguen gracias al carro principal, al carro transversal y del carro orientable. ■■ Carro longitudinal o carro principal (2): se desplaza sobre las guías de la bancada, convenientemente lubricadas, sobre la cual se apoya. Su finalidad primordial es la de soportar el carro transversal y el portaherramientas, permitiendo los desplazamientos que se provoquen gracias al giro de la manivela o el automático. La parte frontal, próxima al operario, se denomina delantal o caja de maniobra, donde se hallan los mandos para el control manual o automático de las operaciones de cilindrado, refrentado y roscado. Al desplazarse paralelamente al eje de giro de la pieza, nos servirá para realizar las operaciones de cilindrado y para determinar la profundidad de las pasadas de refrentado. El avance se puede ejercer dando las vueltas necesarias al volante (3), o conectando el automático. Este volante permite desplazarlo manualmente a derecha o izquierda. Para poder calcular los desplazamientos, el volante para el accionamiento dispone de un tambor graduado, que puede girar loco o fijarse en una posición determinada. Una lectura adecuada permitirá conocer las distancias recorridas.

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Teoría de mecanizado

El embrague de cilindrar (4) tiene tres posiciones –en realidad para darnos las posibilidades de cilindrar, refrentar o desembragarlo-, donde la velocidad de avance vendrá fijada por el husillo de cilindrar. El embrague de roscar (6), en la posición de embragado, posibilita que el carro se desplace longitudinalmente a velocidad constante gracias al husillo de roscar. ■■ Carro transversal (8): se halla montado en cola de milano sobre el carro principal, pudiéndose desplazar transversalmente, bien sea de forma manual mediante la manivela (9) o en automático (4). En su parte superior soporta el carro orientable (10), y que soporta a su vez la torreta portaherramientas (13) propiamente dicha. Al desplazarse perpendicularmente al eje de giro de la pieza, nos servirá para determinar la profundidad de pasada en las operaciones de cilindrado o realizar las operaciones de refrentado. Igualmente dispone de un tambor graduado, y se puede accionar dando vueltas al volante o conectando el automático. ■■ Carro orientable o Charriot (10): se halla montado sobre el carro transversal. Puede girarse sobre sí, comprobándose el ángulo girado gracias a una fina escala graduada (11) expresada en grados. Una pequeña manivela (12) permite que el carro avance, prevista de la correspondiente escala graduada en milímetros. Este carro sólo puede accionarse manualmente, no posee automático. ■■ Torreta portaherramientas (13): ubicada directamente sobre el carro orientable, es el lugar donde se coloca la herramienta de corte. Existen diferentes tipos de portaherramientas para colocar más de una herramienta, como las torretas de cuatro posiciones o la torreta regulable en altura. Las más extendidas son las torretas de cuatro posiciones, que se colocan en posición de trabajo mediante un giro de 90°. Su mayor inconveniente es que necesitan el uso de suplementos –han de insertarse unas pequeñas láminas metálicas para calzar la herramienta-. Este inconveniente se supera gracias a los portaherramientas de accionamiento rápido, que permiten accionar fácilmente la herramienta hasta la altura adecuada y apretar posteriormente para sujetarla.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Los desplazamientos adecuados, se consiguen gracias al carro principal, al carro transversal y del carro orientable. ■■ Carro longitudinal o carro principal (4): se desplaza sobre las guías de la bancada, convenientemente lubricadas, sobre la cual se apoya, y su finalidad primordial es la de soportar el carro transversal y el portaherramientas, permitiendo los desplazamientos inducidos. Al desplazarse paralelamente al eje de giro de la pieza, nos servirá para realizar las operaciones de cilindrado y para determinar la profundidad de las pasadas de refrentado. También incorpora el llamado delantal o caja de maniobra (5), donde se aloja una serie de dispositivos para el control manual o automático de las operaciones de cilindrado, refrentado y roscado. El avance se puede ejercer dando las vueltas necesarias al volante (5a), o conectando el automático. Este volante permite desplazarlo manualmente a derecha o izquierda. Para poder calcular los desplazamientos, el volante para el accionamiento dispone de un tambor graduado, que puede girar loco o fijarse en una posición determinada. Una lectura adecuada permitirá conocer las distancias recorridas.

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El embrague de cilindrar (5c) tiene tres posiciones –cilindrar, desembragado y refrentar-, donde la velocidad de avance vendrá fijada por el husillo de cilindrar. El embrague de roscar (5b), en la posición de embragado, posibilita que el carro se desplace longitudinalmente a velocidad constante gracias al husillo de roscar. ■■ Carro transversal (3): se halla montado en cola de milano sobre el carro principal, pudiéndose desplazar transversalmente, bien sea de forma manual mediante la manivela (3b) o en automático (5c). En su parte superior soporta el carro orientable, y que soporta la torreta portaherramientas propiamente dicha. Al desplazarse perpendicularmente al eje de giro de la pieza, nos servirá para determinar la profundidad de pasada en las operaciones de cilindrado o realizar las operaciones de refrentado. Igualmente dispone de un tambor graduado, y se puede accionar dando vueltas al volante o conectando el automático. ■■ Carro orientable o Charriot (2): se halla montado sobre el carro transversal. Puede girarse sobre sí, comprobándose el ángulo girado gracias a la escala graduada (2b) expresada en grados. Una pequeña manivela (2a) permite que el carro avance, prevista de la correspondiente escala graduada en milímetros. Este carro sólo puede accionarse manualmente. ■■ Torreta portaherramientas (1): ubicada directamente sobre el carro orientable, es el lugar donde se coloca la herramienta de corte. Existen diferentes tipos de portaherramientas para colocar más de una herramienta, como las torretas de cuatro posiciones o la torreta regulable en altura. Las más extendidas son las torretas de cuatro posiciones, que se colocan en posición de trabajo mediante un giro de 90°. Su mayor inconveniente es que necesitan el uso de suplementos –han de insertarse unas pequeñas láminas metálicas para calzar la herramienta-. Este inconveniente se supera gracias a los portaherramientas de accionamiento rápido, que permiten accionar fácilmente la herramienta hasta la altura adecuada y apretar posteriormente para sujetarla.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.35.  Torreta de cuatro posiciones..

Figura 2.36.  Portaherramientas de accionamiento rápido.

Conviene aclarar que en las máquinas CNC o en tornos revólver, dicha torreta portaherramientas se sustituye por un dispositivo rotatorio gobernando mediante mando electrónico y que suele conocerse coloquialmente como revólver.

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Figura 2.37.  Torno CNC y revólver. Fuente: EMCO.

Lógicamente, en tornos CNC pueden localizarse, en general, todos estos dispositivos, aunque el carenado que presentan muchas de estas máquinas impedirá una visualización tan directa como las anteriores. Debajo podemos ver una imagen del interior de un moderno torno CNC, con sus partes identificadas.

2.2.1.5.  Accesorios Además de los dispositivos portaherramientas, resultarán necesarios diferentes accesorios para una sujeción y arrastre de la pieza adecuados. Existen accesorios de accionamiento manual o automático –neumático o hidráulico-. A continuación nos centraremos en los más importantes para el amarre de piezas: ■■ Platos de garras o Chuck: son piezas metálicas sujeta al eje principal, donde se coloca y fija la pieza que nos disponemos a mecanizar. Hay diferentes tipos de platos, que se resumen en los siguientes tipos: □□ Plato universal de amarre: provistos de tres garras que se cierran simultáneamente, abrazando adecuadamente la pieza. □□ Plato de garras independientes, con cuatro garras que se cierran de forma independiente las unas de otras. □□ Plato liso ranurado, provisto de una serie de ranuras normalizadas para la fijación de diferentes elementos de amarre o utillajes. No tiene mordazas.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.38.  Plato liso ranurado. Fuente: BISON-ITALIA-SRL.

■■ Plato liso de arrastre, con un agujero central para el alojamiento de un punto y provisto de un perno o tornillo de arrastre. Se utiliza para sujeción de piezas entre puntas. No tiene mordazas.

Figura 2.39.  Plato de arrastre. Fuente: FAMA

En la figura siguiente podemos observar tres tipos diferentes de platos, de tres y cuatro garras para la fijación de pieza, así como uno liso provisto de seis ranuras normalizadas para la fijación de diferentes elementos de amarre o utillajes.

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Teoría de mecanizado

También puede observarse un juego de tres garras y llaves de apriete para proceder a la apertura o cierre de aquellas. Existen garras de dos tipos, las duras y las blandas, denominadas así por estar pensadas para ser fácilmente mecanizables y poder darles la forma deseada sin dañar la pieza en su acabado final. Figura 2.40.  Diferentes platos de sujeción. Fuente: PINACHO.

A continuación podemos ver las partes integrantes de plato universal de un torno.

Figura 2.41.  Partes integrantes de plato universal de un torno. Fuente MK WORDL.

■■ Pinzas de apriete: utilizadas para sujetar barras largas en tornos convencionales y CNC. Suelen estar rectificadas interna y externamente, destalonadas en la parte cónica, para aumentar la fuerza de sujeción. Se montan con un dispositivo sujetador en el agujero del eje del torno.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

La ventaja es que permiten la automatización de procesos en tornos donde se realiza alimentación automática de barras, pero al poder utilizarse para un diámetro concreto cada una, ha de disponerse de gran cantidad de las mismas cuando se mecanizan piezas de diferentes diámetros.

Figura 2.42.  Diferentes pinzas según DIN6343. Fuente: RÓHM.

■■ Plato-Pinza de amarre: se trata en realidad de una conjunción de un plato y una pinza en un mismo conjunto. Está destinado igualmente al amarre de barras.

Figura 2.43.  Plato-pinza para amarre de barras con pinzas tipo DIN6343. Fuente: RÓHM

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■■ Punto: como ya vimos forma parte del conjunto del cabezal móvil, y es un dispositivo destinado a sujetar los extremos libres de las piezas de gran longitud. Posee una terminación cónica por uno de sus extremos. Pueden ser fijos –han de mantener su punta lubricada permanentemente- o giratorios, que no precisan lubricación por disponer en el interior de su cabeza con dos rodamientos que mantienen fija su cola al mismo tiempo que la punta cónica gira a la misma velocidad de la pieza que se halla sujetando.

Figura 2.44.  Contrapunto giratorio. Fuente: HARDMETAL TOOLS.

Figura 2.45.  Vista seccionado de un punto giratorio.

■■ Luneta: son unos dispositivos intermedios colocados entre el plato y el punto que sujetan las piezas más largas, destinados a evitar la desviación del eje de la pieza. Pueden ser fijas o móviles, y están constituidas por un cuerpo de fundición y patines de bronce o de rodamiento, regulables por medio de tornillos. La luneta fija se sujeta por medio de una zapata inferior y un bulón y tuerca a la bancada del torno. La luneta móvil se sujeta por tornillos al carro, y acompaña al mismo en su desplazamiento.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.46.  Luneta fija y luneta deslizable. Fuente: PINACHO.

El montaje de las piezas en el torno Las piezas de escasa longitud, una vez sujetadas, mostrarán un voladizo aceptable, por lo que podrán ser sujetadas únicamente desde un extremo (bajo la condición de ser centrada escrupulosamente, para asegurar el giro sobre su eje). Es lo que conoceremos habitualmente como Montaje en el aire. Como es de suponer, trabajando piezas más largas es inevitable la desviación del eje de la pieza, por lo que se precisa de este segundo punto de apoyo para la pieza. Cuando la longitud de la pieza hace esto insuficiente, se recurre a la utilización de lunetas. Cuando se sujeta una pieza de este modo se conoce habitualmente como trabajo “entre puntos”. ■■ Montaje en el aire: como hemos comentado, cuando la pieza apenas presenta voladizo por su escasa longitud y posee un peso aceptable, es suficiente con este tipo de montaje. La pieza queda sujetada por solo uno de sus extremos, por lo general mediante un dispositivo de amarre clásico como un plato universal o una pinza de apriete.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.47.  Montaje en el aire.

■■ Montaje entre plato y punto: cuando la pieza posea poco diámetro o sea excesivamente larga como para ser sujetada únicamente desde un extremo, se emplea este montaje, donde un extremo de la pieza queda amarrado al plato y el otro se apoya en el punto. Para poder apoyar el punto, ha de efectuarse previamente en la pieza un taladrado especial conocido como punto u hoyete mediante una broca de centrar, que realiza en la pieza un pequeño orificio y un alojamiento cónico de 60º adecuados para facilitar el alojamiento de la punta cónica. Existen brocas de forma A, B y R, siendo la más empleada para el centrado la del primer tipo.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.48.  Brocas de centrar. Fuente: IZAR.

Por supuesto, el cabezal móvil y el punto han de hallarse perfectamente bloqueados, con sus dos frenos –el que fija el cabezal a la bancada y el que fija la pínula-. Además, el punto giratorio debe encontrarse girando constantemente durante el proceso del mecanizado.

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Teoría de mecanizado

Aquí podemos observar cuál es el montaje que se propone en estos casos:

Figura 2.49.  Montaje entre plato y punto.

■■ Montaje entre puntos: la diferencia con el montaje anterior estriba en que la pieza se ubica entre dos puntos –y no entre un plato y un punto-. Por ello, la pieza ha de taladrarse con una broca de centrar en ambos extremos. En la parte izquierda del torno, ha de retirarse primeramente el plato del torno para poder ubicar un típico punto de torno en el agujero de cono Morse del eje principal del torno. Este punto servirá por tanto para apoyar la pieza por su extremo izquierdo. La trasmisión del giro a la pieza, se garantiza mediante un plato liso de arrastre y una brida de arrastre, enganchándose así el eje de la máquina con la pieza. En la parte opuesta del torno, el punto del cabezal móvil servirá para apoyar la pieza por su extremo derecho. La pieza queda así suspendida sobre la bancada, permitiendo el mecanizado longitudinal sin perder la concentricidad, al bastar con cambiar de extremo la brida y girar la pieza. Es muy importante que la pieza se encuentre firmemente ajustada a la brida para que no patine, y el punto del cabezal móvil perfectamente bloqueado mediante sus dos frenos.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.50.  Amarre de pieza entre puntos.

■■ Montaje con lunetas: en el caso de que la pieza sea muy larga y delgada, o cuando el peso de la misma recomiende sostenerla, se hace necesario la utilización de lunetas. Y es que aunque los extremos de la pieza queden convenientemente sujetados con los métodos anteriormente comentados, las fuerzas de corte o el giro de la propia pieza pueden hacer pandear la pieza en zonas intermedias. Las lunetas son dispositivos que sirven de apoyos intermedios para la pieza. Como ya comentamos pueden ser fijas o móviles, y disponen de los correspondientes patines de bronce o de rodamiento, regulables por medio de tornillos.

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Teoría de mecanizado

A continuación podemos ver una imagen de un torno equipado con una luneta fija y un plato de amarre mixto.

Figura 2.51.  Luneta torno. Fuente: FAMA.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

2.2.2.  Elementos de la fresadora Recordemos que las fresadoras son unas máquinas-herramientas destinadas a realización de diferentes operaciones de fresado, un tipo de mecanizado donde una herramienta de corte giratoria (con uno o más filos de corte) avanza en una determinada dirección sobre la pieza. En la práctica es la mesa que soporta la pieza la que se encarga de mover dicha pieza en un desplazamiento lineal controlado (avance), enfrentándola de ese modo a la herramienta giratoria. Por tanto, a efectos prácticos, se trata de lo contrario a lo visto en el apartado del torno, donde era la herramienta la que se desplazaba y la pieza la que rotaba. Las partes constituyentes de una fresadora se concretan a continuación, aunque como en otras máquinas anteriormente descritas, existe también una amplia gama de accesorios que especializan aun más estas máquinas y les confieren nuevas posibilidades de trabajo. Dichas partes son las siguientes: ■■ Cuerpo. ■■ Ménsula. ■■ Carro transversal. ■■ Carro longitudinal con mesa. ■■ Carnero. ■■ Cabezal. ■■ Accesorios.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.52.  Fresadora universal. Fuente: KNUTH.

2.2.2.1.  Cuerpo Además de los dispositivos portaherramientas, resultarán necesarios diferentes accesorios para una sujeción y arrastre de la pieza adecuados. Existen accesorios de accionamiento manual o automático –neumático o hidráulico-. A continuación nos centraremos en los más importantes para el amarre de piezas. Como su nombre indica, el cuerpo de la máquina puede definirse como la estructura principal de la máquina. Está realizada de fundición aleada, de la máxima calidad, al ser la parte de la máquina que va a servir de soporte para el resto. Para conferirle una adecuada rigidez, las paredes y la nervadura interior se realizan especialmente gruesas.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

En la parte inferior encontramos una base (1a), por donde se realiza su anclaje al suelo mediante tornillería. El hueco de la base suele utilizarse como depósito para el refrigerante. La columna o cuerpo superior (1b) sirve de apoyo al carnero. En su interior se encuentran los órganos de transmisión de movimiento para las cajas de velocidades de avance, a excepción de los modelos de fresadora donde se dispone de motores de avance independientes para cada uno de los ejes de la mesa. También suele alojar los sistemas de engrase y refrigeración, cuadro eléctrico, etc (1c). Dispone de una guía (1d) cuidadosamente templada y rectificada, que sirve de soporta a la ménsula.

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Teoría de mecanizado

2.2.2.2.  Ménsula La ménsula o carro vertical sirve como soporte del carro transversal, el cual queda ubicado sobre su parte superior. En su parte inferior (2a) puede distinguirse fácilmente un alojamiento donde se ubica el husillo de desplazamiento en el eje vertical o eje Z. Aunque dependerá del sistema constructivo, la ménsula suele disponer de una palanca (2b) que permite accionar manualmente la ménsula en el eje vertical, a fin de desplazar la pieza hacia arriba o hacia abajo. Además suele disponer de un volante (2c) que permite accionar manualmente el eje transversal o eje Y, encargándose del desplazamiento del carro transversal. En la imagen pueden distinguirse las guías de deslizamiento (2d) de dicho carro.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Tanto la palanca como el volante descritos poseen un tambor graduado que permite controlar los desplazamientos realizados. La resolución de los tambores graduados para el movimiento de la mesa puede variar según el modelo y el eje a desplazar. En la imagen podemos un volante con un tambor graduado de resolución de 0.02 mm.

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Teoría de mecanizado

2.2.2.3.  Carro transversal Tiene como finalidad desplazar transversalmente el carro longitudinal, que se sitúa inmediatamente encima. El carro transversal se halla situado a su vez sobre la ménsula, sobre la que se desliza mediante las correspondientes guías.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Además del accionamiento manual, las fresadoras suelen disponer de cajas de avances automáticos para los diferentes ejes, que se accionan desde las correspondientes palancas (3a). Se trata de un mecanismo formado por una serie de engranajes ubicados en el interior del bastidor, que recibe el movimiento directamente del eje principal de la máquina. Pueden fijarse diferentes velocidades de avances. Para la transmisión de los avances automáticos para el eje longitudinal y transversal, dispone de dos juntas cardan y un eje telescópico para la transmisión del movimiento desde una caja de avances ubicada en el interior del cuerpo de la fresadora, proviniendo el movimiento del motor principal de la máquina. Sin embargo, en las fresadoras más modernas, cada eje dispone de unos pequeños motores independientes para forzar los avances.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.53.  Detalle de la caja de avances del carro longitudinal de una fresadora, con motor propio.

Puede bloquearse mediante dos tornillos de apriete, que evitan los desplazamientos transversales indeseados cuando se está mecanizando longitudinalmente (de derecha a izquierda o viceversa). Dispone además en uno de los laterales de una pequeña ranura que permite colocar unos topes de limitación de recorrido.

2.2.2.4.  Carro longitudinal Soporta la mesa de la fresadora (4a) y se desplaza longitudinalmente, permitiendo así el movimiento de la pieza de derecha a izquierda o viceversa. Se halla situado sobre el carro transversal, sobre el que se desliza mediante las correspondientes guías.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Dispone de un volante con tambor graduado (4b) para que el operario desplace el carro. Generalmente, estas fresadoras disponen de dos volantes, uno a cada lado del carro, para facilitar la labor del operario. En algunos modelos, se dispone incluso de tres volantes para desplazar el carro longitudinal. Al igual que el carro transversal, puede bloquearse mediante dos tornillos de apriete para evitar los desplazamientos longitudinales indeseados cuando se está mecanizando transversalmente. Dispone también de una ranura para colocar topes de limitación de recorrido (4c). La mesa dispone de una serie de ranuras longitudinales paralelas con sección en forma de T, sobre la que se sujeta la pieza y el dispositivo de sujeción empleado (mordaza, bridas, utillaje, etc).

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Teoría de mecanizado

Figura 2.54.  Mesa de fresadora con tres guías en T.

2.2.2.5.  Carnero El carnero o puente es un soporte ubicado sobre la parte superior del cuerpo de la fresadora, provisto de unas guías en forma de cola de milano (5a) para poder desplazarse y ubicar los correspondientes soportes de los ejes portafresas si corresponde. Como puede verse en las imágenes, permite que el husillo quede situado en una posición óptima sobre la mesa de la fresadora. En el carnero van los soportes del eje portafresas, provistos de rodamientos o cojinetes de bronce ajustables con el correspondiente sistema de engrase. El carnero ofrece la posibilidad de desplazamiento lineal y también de rotación en dos ejes (5b, 5c), aumentando así las posibilidades de trabajo de la fresadora. No obstante, es necesario desbloquearlo para proceder al giro y volver a asegurar la posición, por lo que se trata de una actividad laboriosa. En la parte superior suele haber montado tornillos de cáncamo, para facilitar el transporte e instalación de la máquina.

Figura 2.55.  Detalle del carnero de una fresadora.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

En la imagen siguiente podemos observar un cabezal en disposición oblicua, en esto caso a 45º, para el achaflanado de aristas.

Figura 2.56.  Fresadora con el cabezal rotado.

Aunque debería tratarse en el apartado de los posibles accesorios, comentaremos que en la parte trasera puede instalarse un cabezal mortajador, realizando tareas de mortajado. De este modo convierte el giro del husillo en un movimiento lineal. También puede instalarse delante, en sustitución del cabezal.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.57.  Cabezal mortajador. Fuente: VERTEX.

El mortajado consiste en una operación de arranque de viruta en la que la herramienta de corte se desplaza con un movimiento rectilíneo y alternativo vertical. Hay máquinas especializadas, denominadas mortajadoras. El mortajado sirve generalmente para el mecanizado de ranuras y chaveteros interiores en piezas como poleas, volantes, etc.,

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2. Estructura de la máquina-herramienta

2.2.2.6.  Cabezal Aunque hay varios tipos de construcciones en este aspecto, en la disposición de la imagen es fácil observar el motor principal (6a), la caja de velocidades (6b), el dispositivo de taladrado (6c) y el husillo portaherramientas (6d). El husillo portaherramientas se encarga de la sujeción y arrastre de la herramienta, transmitiéndole el movimiento de rotación. Está realizado en acero aleado al cromovanadio.

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Teoría de mecanizado

En algunas fresadoras, la caja de velocidades (6b) aloja dos ejes provistos de poleas y una correa de transmisión. Como cada polea posee un determinado diámetro, basta con que el operario ascienda hasta la caja, desatornille una tapeta, acceda al interior y, tras tirar de una palanca, destense la correa para proceder al cambio de la relación. No obstante, las más modernas suelen incorporar cabezales de variación continua, donde se procede al cambio de velocidad mediante el simple giro de un volante (6e), esta vez con la máquina en marcha.

Figura 2.58.  Detalle del variador de velocidad continua de la fresadora.

Dada su especial importancia, los diferentes tipos de portaherramientas y dispositivos de sujeción, se tratarán convenientemente en la Unidad donde se explican las herramientas de corte.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Anexo El cabezal Huré Esto de abajo plantearlo como un pequeño capítulo aparte, a modo de “Nota”. El titulo sería el de aquí justo arriba, “El cabezal Huré” Mención especial merece el denominado cabezal vertical universal Huré, un tipo de cabezal cuyas posibilidades de ajustes permite realizar gran variedad de trabajos, aumentándose así las prestaciones de una fresadora universal. Consta de dos partes: ■■ Un cuerpo del cabezal, fijado a la fresadora, y dispone de dos colisas. La primera colisa circular, situada en la parte donde se fija a la fresadora, permite el giro del resto del cabezal en un plano vertical. La segunda colisa circular se halla en un plano inclinado a 45° con referencia al plano de la colisa del cuerpo base, y permite el giro oblicuo del cuerpo portafresas. ■■ Un cuerpo portafresas, solidario en la colisa comentada anteriormente a 45º con el cuerpo del cabezal. Permite la colocación de las herramientas de corte. La velocidad de giro del husillo será la del husillo principal de la fresadora. No obstante, este tipo de cabezal no es adecuado con las herramientas de grandes diámetros para planeados.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.59.  Cabezal universal automático. Fuente: JUARISTI.

Aunque no forma parte del tema de las fresadoras universales, recordemos también que en las grandes mandrinadoras se colocaba un dispositivo especial denominado plato de refrentar, donde se combina la rotación sobre su eje –acoplado al husillo principal- y el desplazamiento radial de una herramienta montada en la colisa del plato.

Revisa el apartado ¿Pero qué es una operación de mandrinado concretamente? que encontrarás en la unidad 1

2.2.2.7.  Accesorios y dispositivos auxiliares Aunque las piezas pueden sujetarse mediante las clásicas mordazas de base fija o giratoria (de accionamiento manual o hidráulico, generalmente) y bridas de apriete, las fresadoras pueden incorporar diferentes accesorios que le añaden versatilidad a las sujeciones y modos de atacar la pieza. En la medida de lo posible, el sistema de sujeción ha de asegurar la carga y descarga rápida de piezas en la mesa de trabajo, garantizando la repetibilidad en las posiciones y una rigidez en el amarre eficiente.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Habrá de permitir también que la herramienta de corte sea capaz de efectuar los mecanizados sin colisionar con el amarre realizado.

Figura 2.60.  Mordaza manual . Fuente: GARANT.

Figura 2.61.  Mordaza hidráulica. Fuente ARNOLD.

Figura 2.62.  Sujeción mediante bridas. Fuente ZLIN.

Lógicamente también pueden ser sujetadas mediante utillajes especiales, que merecen un tratamiento aparte.

Cabezal divisor El cabezal divisor es un dispositivo que se coloca en la mesa de la fresadora y sirve para conseguir girar la pieza regularmente alrededor de su eje, en ángulos equidistantes o no.

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Teoría de mecanizado

La operación es realizada por el operario manualmente, gracias a unos discos intercambiables provistos de varias circunferencias concéntricas (llamados vulgarmente “quesos”), en cada una de las cuales hay un número diferente de agujeros, espaciados regularmente. El operario posiciona un pasador en alguno de estos agujeros, que gira solidariamente mediante una manivela. La pieza a mecanizar puede ser sujetada de tres modos diferentes: ■■ Mediante un plato de garras únicamente, quedando la pieza en voladizo (al aire). ■■ Mediante plato de garras y un punto. ■■ Mediante dos puntos. En este caso, el movimiento angular ha de transmitirse a la pieza mediante el correspondiente perro de arrastre, tal y como se vio en el tema de torneado. La relación de transmisión depende del tipo de mecanismo divisor que se utilice. Hay tres tipos de mecanismos divisores: ■■ Divisor directo. ■■ Divisor semiuniversal. ■■ Divisor universal. El cabezal divisor sirve para el fresado de dientes de engranajes, ejes ranurados, etc.

Figura 2.63.  Tren de fresas, con cuatro fresas de disco. Fuente: CERATIZIT.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

No obstante, existen cabezales divisores “rápidos”, provistos de un volante provisto de una manivela y un tambor graduado (para la lectura rápida y sencilla en grados del giro efectuado).

Figura 2.64.  Plato divisor rápido. Fuente OPTIMUM

¿Qué es un cabezal divisor sincronizado? Si el cabezal posee capacidad para rotar a una determinada velocidad de giro (lenta pero controlada, sincronizada con los movimientos de fresado longitudinal), puede conseguirse el mecanizado de ranuras y ruedas dentadas helicoidales.

Figura 2.65.  Cabezal divisor sincronizado. Fuente: EMCO.

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Teoría de mecanizado

Esto puede conseguirse fácilmente en máquinas-herramientas dotadas de control numérico CNC, lográndose el mecanizado lineal o helicoidal programando sencillamente el número de divisiones (idóneo para el mecanizado de engranajes helicoidales o herramientas de corte enterizas con filos helicoidales). Sin embargo, el tallado de engranajes con estos cabezales apenas se utiliza hoy día al existir máquinas para tallado de engranajes con más productividad y nivel de calidad. Además, algunas fresadoras de CNC disponen de mesas giratorias o cabezales orientables que permiten que la herramienta ataque la pieza desde diferentes planos, por lo que el cabezal divisor no resulta ya necesario.

Mesa de trabajo giratoria La mesa de trabajo giratoria se ubica directamente sobre la mesa, al igual que el cabezal divisor ya comentando aunque orientando la pieza de manera diferente al no quedar en el aire. La finalidad es la misma que la del cabezal divisor, es decir, la orientación angular de la pieza. Aunque hay mesas giratorias de accionamiento manual, son habituales en las fresadoras y centros de mecanizado CNC, proporcionando un eje de rotación que se suma a los tres ejes cartesianos XYZ, aumentando así las posibilidades de trabajo de la pieza considerablemente y disminuyendo el número de amarres y desamarres de la misma.

Figura 2.66.  Mandrinadora con mesa giratoria. Fuente: KNUTH.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

No obstante, la combinación actual más utilizada en centros de mecanizado CNC de 5 ejes es la mesa circular orientable en dos ejes de rotación. La máquina trabaja por consiguiente con los ejes cartesianos XYZ y dos ejes de rotación, programables por lo general mediante los caracteres AC debido a su disposición más frecuente en centros de mecanizado.

Figura 2.67.  Centro de mecanizado de 5 ejes. Fuente: HERMLE

En ocasiones  resulta posible mecanizar cinco caras de una pieza en un único ajuste, y se trata de la solución ideal para el mecanizado de rotores y engranajes cónicos.

Figura 2.68.  Mesa giratoria. Fuente: DATRON.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.69.  Fresado 5 ejes en centro de mecanizado. Fuente: BRETON.

Almacenes de herramientas y cambiadores automáticos El mecanizado de piezas exige por lo general el trabajo con diferentes herramientas. El cambio de herramienta puede efectuarse manualmente por el operario, si la fresadora dispone de adaptadores para portaherramientas de fácil manejo. En la imagen podemos ver un adaptador mecánico de una fresadora universal que, mediante el accionamiento de un sencillo conmutador, permite un amarre o desamarre relativamente rápido de la herramienta.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Las máquinas-herramientas dotadas de CNC suelen efectuar el cambio de manera automatizada. Como es fácil suponer, ello permite automatizar y acelerar el ciclo de producción espectacularmente, aunque el costo económico de los mismos es elevado. Los tornos, como vimos en su momento, pueden realizarlo mediante el simple giro de un revólver. Sin embargo, los centros de mecanizado y numerosas fresadoras CNC se hallan dotados de almacenes de herramientas, pudiendo alcanzar hasta las 200 herramientas. Dichas herramientas suelen almacenarse con su correspondiente portaherramientas, agilizándose el proceso al cargar en el husillo de la máquina la herramienta de corte completamente preparada.

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Teoría de mecanizado

Para una correcta gestión desde el CNC, los portaherramientas se hallan codificados mediante chips de memora, códigos de barra o etiquetas codificadas.

Para efectuar la llamada a una herramienta del almacén desde una fresadora o centro de mecanizado CNC, basta con programar la función miscelánea M06 (según norma ISO), seguido del numero de la herramienta deseada y su tabla de datos. Ejemplo de llamada a la herramienta 8 de un almacén, en lenguaje de CNC Sinumerik 840D de Siemens: M06 T8 D1

Los tiempos de cambio son rápidos, y dependiendo del tipo de cambiador y el peso de la herramienta, puede oscilar entre los 5 y los 30 segundos aproximadamente. Existen diferentes tipos de almacenes, entre los que cabe distinguir los siguientes: ■■ Tambor: consiste en un almacén giratorio, de pequeña capacidad similar al revólver de un torno. No precisa cambiador automático de herramienta, bastando el giro del propio tambor para acceder a la herramienta deseada. ■■ Carrusel: consiste en un almacén rotatorio, de capacidad media, provisto esta vez de un cambiador automático rápido. ■■ Cadena: consiste en un almacén lineal, por lo general de gran capacidad de almacenamiento y provisto de un cambiador automático rápido.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Figura 2.70.  Almacén rotatorio de fresadora CNC. Fuente: EMCO.

Figura 2.71.  De tipo carrusel. Fuente: CAM DRIVEN SYSTEMS.

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Teoría de mecanizado

Figura 2.72.  De tipo cadena, equipado con cambiador de brazo mediante giro de 180º . Fuente: CFT - AUTOMATION SYSTEMS.

Los cambiadores de herramienta suelen identificarse habitualmente bajo las siglas ATC (“Automatic Tool Changer”).

En cuanto al almacén y el cambiador automático propiamente dicho –el elemento que ejecuta el cambio físico de la herramienta-, poseen una serie de requerimientos que se consideran primordiales. Estos pueden resumirse en los siguientes aspectos: ■■ Tiempo de cambio de herramienta pequeño. ■■ Precisión en el posicionamiento de la herramienta seleccionada. ■■ Capacidad de almacenamiento suficiente para el tipo de trabajos que se requerirán en la máquina. ■■ Fiabilidad y facilidad de mantenimiento. ■■ Espacio ocupado mínimo.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

En la imagen podemos ver con más detalle un cambiador automático de brazo, conocido también como manipulador polar, donde el giro de 180º que efectúa sirve para retirar la herramienta empleada anteriormente hacia el almacén y para acercar al husillo la nueva herramienta proveniente del almacén.

Figura 2.73.  Cambiador de brazo para herramientas. Fuente: EMCO.

Sistema de cambio automático de pallets (APC) El sistema de paletización de una fresadora o centro de mecanizado CNC reduce los tiempos improductivos durante el mecanizado, ya que el éste puede efectuarse en un pallet, mientras el otro u otros pueden utilizarse mientras tanto para la preparación (fijación de piezas, etc). El proceso de cambio de pallet se efectúa en cuatro fases, y el ciclo entero de cambio de mesa conlleva unos 100 segundos aproximadamente: ■■ Las guías de cambio deben hallarse conectadas con el eje X, para que el sistema tenga habilitada la opción de movimiento a través de cremallera y piñón. ■■ Después la mesa es trasladada mediante una cadena, siendo colocada en la posición de intercambio. ■■ Unos pins aseguran un centrado con la máxima precisión, asegurándose la sujeción definitiva del pallet mediante un dispositivo hidráulico. ■■ Finalmente, el eje de cambio es desconectado, quedando la mesa dispuesta en su posición de mecanizado.

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Teoría de mecanizado

Otros dispositivos accesorios Aunque la lista de dichos elementos accesorios podría extenderse fácilmente, los más habituales de encontrar en una fresadora o centro de mecanizado, especialmente gobernados mediante CNC, son los que se enumeran a continuación: ■■ Evacuador de virutas. ■■ Palpador de medición de piezas y de herramienta. ■■ Sensor de control de rotura de la herramienta. ■■ Etc.

2.2.3.  El utillaje en el fresado 2.2.3.1.  El concepto de utillaje El utillaje como tal debe entenderse como cualquier artificio mecánico que haya sido diseñado específicamente para la sujeción de piezas, cuando no basta con sujetar la pieza a mecanizar con unas garras de plato, una simple mordaza o bridas para su mecanizado En numerosas ocasiones se trabaja con una estructura de sujeción a la que se le incorporan diferentes elementos comerciales normalizados. Pueden ser puramente mecánicos o incluir elementos añadidos de sujeción de carácter neumático, hidráulico o incluso electromagnético.

Ya que la diversidad de piezas a sujetar es apabullante y que los sistemas diseñados dependen en gran medida de las necesidades particulares o la inventiva demostrada en cada taller, nos limitarnos a incluir una serie de ejemplos gráficos de sujeción de piezas de diversa índole.

Figura 2.74.  Colector amarrado mediante diferentes útiles de sujeción. Fuente: AMFO.

Téngase en cuenta que habrá piezas que demostrarán una especial dificultad para ser amarradas en condiciones de estabilidad mínima, especialmente cuerpos complejos (con pocas superficies planas) y cuerpos de fundición. De todos modos, han de considerarse una serie de principios para la sujeción de pieza que pasamos a resumir a continuación:

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2. Estructura de la máquina-herramienta

■■ Asegurar una inmovilización total de la pieza a mecanizar. ■■ Asegurar que la pieza en bruto puede ser mecanizada hasta una fase donde hayan sido terminadas una serie de superficies que sirvan de apoyo en un posterior montaje. ■■ Evitar la posibilidad de movimiento de la pieza durante la fase de mecanizado, a pesar de las vibraciones, deformaciones o las distintas fuerzas de corte que puedan generarse. Hacer uso de diferentes elementos mecánicos que actúen como tope o como elementos de amarre. ■■ Evitar que los propios elementos integrantes del utillaje o los elementos de sujección comerciales trabajen por encima de sus posbilidades, deformándose y haciendo peligrar la correcta posición y estabilidad de la pieza. ■■ Intentar realizar una construcción lo más económica y ligera posible, siempre respetando unos criterios de seguridad básica imprescindible. ■■ Asegurar un montaje y desmiontaje lo más rápido posible, pero intentando minimizar al máximo los riesgos de accidente durante la manipulación de la pieza.

2.2.3.2.  Elementos de amarre En las operaciones de taladrado y fresado la sujeción de la pieza se complica con mayor frecuencia que en el torneado: ya se citaron y no insistiremos en elementos de sobra conocidos y ampliamente utilizados para la sujeción de piezas sencillas (como mordazas o platos electromagnéticos), sino en elementos comerciales de sujeción que, aunque también utilizados profusamente, son en ocasiones menos conocidos por personas ajenas al área que nos ocupa. Las dimensiones de estos elementos suelen estar normalizadas, sobre todo en lo referente a la forma y dimensiones de la cabeza de los tornillos destinadas a alojarse en las guías de las mesas de las fresadoras y taladradoras.

Bridas sencillas ajustables Elemento de amarre constituido generalmente por la brida propiamente dicha, un tornillo de posicionamiento y un tornillo de apoyo para regular la altura de amarre.

El tornillo de posicionamiento posee una cabeza diseñada para su alojamiento en las ranuras en forma de T invertida de las que disponen las mesas de la fresadoras y taladradoras. La brida puede ser plana o estar acodada para facilitar el amarre de ciertas piezas.

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Teoría de mecanizado

Bridas de horquilla

Las bridas de horquilla se distinguen de las anteriores por estar ranuradas a lo largo de su eje principal, a fin de facilitar el desplazamiento y posterior posicionado del tornillo de posicionamiento.

Bridas de dentado escalonado Poseen un fresado progresivo en uno de sus extremos, a modo de escalones, por lo que solo son válidas para utilizar con los calzos o bloques escalonados que se describirán a continuación.

Poseen la ventaja de poder realizar la regulación en altura fácil e intuitivamente, aunque los calzos variables pueden sustituirlos con ventaja en caso de necesitar una mayor precisión.

Bridas de amarre rápido. Actúan a modo de palancas, lo que les confiere una rapidez de amarre sumamente extrema. Suelen utilizarse para la sujeción de chapas, cuando se realizan sobre ellas trabajos de soldadura, plegados ligeros, taladrado, etc.

Mordazas de fijación rápida. En realidad se trata de estructuras formadas por dos elementos, donde uno de ellos se desplaza oblicuamente respecto al otro gracias a un tornillo de regulación y se consigue una considerable fuerza de apriete por efecto de cuña.

La pieza que permanece inmóvil se fija a la mesa, habitualmente mediante espárragos y tuercas en forma de T.

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2. Estructura de la máquina-herramienta

Espárragos, tornillos y tuercas en forma de T Este tipo de elementos actúan ubicándolos sobre las ranuras en forma de T invertida de las que disponen las mesas de fresadoras y taladradoras (observar con detenimiento las fotografías de la mesa insertada en el apartado de descripción de la fresadora)

Pueden establecer un gran número de combinaciones con estos y otros tipos de elementos para forzar la sujeción de la pieza.

Calzos y bloques escalonados Están provistos de un dentado en escalera, y pueden encontrarse con diferente medida y número de escalones, según necesidades. Al igual que las bridas con dentado escalonado, también poseen la ventaja de poder realizar la regulación de manera fácil e intuitiva.

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Calzos variables Los calzos variables suelen poseer un cuerpo cilíndrico, poseyendo un husillo y una placa superior regulable en altura donde apoya la superficie del elemento a sujetar. Generalmente, la superficie de apoyo superior puede adquirirse plana, en forma de V, con pivote para centrajes o poseer forma semiesférica, para poder servir de apoyo estable con superficies curvadas.

Actúan, por tanto, como elemento de apoyo y no como elemento tensor.

Cubos y escuadras de sujeción. Se trata de cuerpos realizados en fundición gris, provistos de una serie de ranuras y alojamientos en forma de T para la sujeción de una o más piezas. Existen de muchos tamaños y calidades, pero en general todos se caracterizan por poseer dichos alojamientos a unas distancias predefinidas que ayudan a posicionar fácilmente la pieza y facilitan enormemente la programación de las máquinas CNC al conocerse el lugar de posicionado.

Lógicamente existe una gran variedad de elementos de sujeción que no se han incluido aquí, pero con esta lista hemos conseguido hacer un breve resumen de los elementos estándar más comúnmente empleados.

2. Estructura de la máquina-herramienta

RESUMEN ■ ■

Las máquinas-herramientas para el mecanizado mediante arranque de viruta, poseen una serie de elementos comunes. Los principales elementos pueden resumirse en: elementos estructurales, guías, accionamientos del motor principal y de avance, sistemas de medición y elementos adicionales.

■ ■

El torno se divide en cuatro partes principales, más los correspondientes accesorios: bancada, cabezal fijo, cabezal móvil y carro portaherramientas. La fresadora se divide en seis partes principales, más los correspondientes accesorios: cuerpo, ménsula, carro transversal, carro longitudinal con mesa, carnero y cabezal.

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3 UNIDAD DIDÁCTICA

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Teoría de mecanizado

3.  Herramientas de corte

3. Herramientas de corte

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 163 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 164 3.1.  Las herramientas de corte.................................................................................................................................. 165 3.1.1.  La geometría de las herramientas de corte de torneado............................................................................................ 165 3.1.2.  La geometría de las herramientas de corte de fresado.............................................................................................. 169 3.2.  El material de fabricación de la herramienta.................................................................................................... 175 3.2.1.  Herramientas de acero al carbono......................................................................................................................... 175 3.2.2.  Herramientas de acero rápido y extra rápido............................................................................................................ 175 3.2.3.  Herramientas de metal duro.................................................................................................................................. 176 3.2.4. Cermets............................................................................................................................................................. 182 3.2.5. Cerámicas.......................................................................................................................................................... 183 3.2.6.  Nitruro de boro................................................................................................................................................... 184 3.2.7.  Diamante policristalino......................................................................................................................................... 185 3.3.  Los portaherramientas........................................................................................................................................ 186 3.3.1.  Portaherramientas en los tornos............................................................................................................................ 186 3.3.2.  Portaherramientas en las fresadoras....................................................................................................................... 189 3.4.  El desgaste de la herramienta............................................................................................................................ 203 3.4.1.  El control del desgaste gradual en máquinas de control numérico............................................................................... 205 3.5.  La maquinabilidad de los materiales................................................................................................................. 206 3.5.1.  Acero (grupo P).................................................................................................................................................. 206 3.5.2.  Acero inoxidable (grupo M)................................................................................................................................... 208 3.5.3.  Fundición (grupo K)............................................................................................................................................. 208 3.5.4.  Materiales no férricos (grupo N)............................................................................................................................. 210 3.5.5.  Superaleaciones termorresistentes HRSA y titanio (grupo S)...................................................................................... 210 3.5.6.  Acero templado (grupo H).................................................................................................................................... 211 3.6.  Los datos de corte............................................................................................................................................... 213 3.6.1.  Movimientos de corte básicos............................................................................................................................... 213 3.6.2.  Otros parámetros de corte a considerar.................................................................................................................. 222

RESUMEN................................................................................................................................................................... 239

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OBJETIVOS ■ ■ ■ ■ ■

Conocer las principales herramientas para las operaciones de mecanizado que serán tratadas en las unidades posteriores. Conocer los materiales que las conforman. Conocer la clasificación ISO de las herramientas. Conocer las particularidades que presentan con los materiales mecanizados. Conocer el léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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INTRODUCCIÓN

Después de haber analizado convenientemente los diferentes tipos de máquina- herramienta existentes, nos centraremos en esta unidad en el conocimiento de las diferentes herramientas de corte.

Los datos de corte a aplicar, no obstante, serán tratados en una unidad aparte, dada su especial importancia.

Por último, y al igual que sucedió en la unidad temática Sin duda es imprescindible que conozcamos anterior, habremos de intentar irnos acostumbrando al las posibles herramientas que intervendrán en el léxico identificativo de cada una de las operaciones, proceso de mecanizado, con las correspondientes para desenvolvernos con la soltura suficiente en el particularidades de las mismas y su nomenclatura. complejo entorno del taller mecánico.

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3.1.  Las herramientas de corte En las siguientes líneas trataremos sobre las herramientas de corte empleadas en los procesos de mecanizado más conocidos. Como es de suponer, las herramientas de corte son parte fundamental del proceso productivo, y un uso racional de las mismas ahorrará averías, tiempos de parada innecesarios y conseguirá un resultado económico final mucho mayor.

No debe confundirse una máquina-herramienta (como las descritas en los apartados anteriores), con las herramientas de corte que éstas incorporan. A modo de ejemplo: al hablar de una fresadora estaríamos haciendo referencia a una máquina-herramienta, mientras que al hablar de la fresa que incorporaría estaríamos refiriéndonos a la correspondiente herramienta de corte.

Clasificaremos las herramientas en función de dos aspectos: la geometría de la herramienta y el material de fabricación de la misma.

3.1.1.  La geometría de las herramientas de corte de torneado En las siguientes líneas vamos a hacer referencia a los ángulos que determinan la geometría de una herramienta. La variedad es realmente amplia y cada año aparecen novedades en este campo, pero es fundamental que conozcamos cuál es la geometría de una herramienta y acostumbrarnos al léxico empleado.

En numerosas ocasiones, un taller notará variaciones en el rendimiento del mecanizado cuando varían las entregas de un proveedor, ya que, por ejemplo, no hay dos coladas sucesivas de fundición que sean exactamente iguales. Tales circunstancias pueden tener solución variando las condiciones de corte, pero puede que también resulte práctico variar las herramientas, tanto de fabricantes como de geometrías utilizadas: por ello, es imprescindible conocer los parámetros aquí descritos, y poder afrontar este tipo de problemas con la soltura adecuada.

Para las siguientes explicaciones se ha optado por la representación de una plaquita de corte intercambiable, por su masiva implantación para mecanizados. No obstante, los ángulos descritos son válidos igualmente para las herramientas de acero rápido o metal duro afiladas.

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Teoría de mecanizado

Plaquita de corte: herramienta de corte intercambiable, con diferentes geometrías predefinidas (triangular, circular, etc), para colocar mediante el correspondiente sistema de fijación mecánico a un portaherramientas.

A continuación realizaremos un breve listado con los parámetros más importantes a determinar en dicho aspecto.

3.1.1.1.  Ángulos de la plaquita, vista desde el plano vertical Los ángulos de la plaquita a considerar, vista desde el plano vertical, son los cuatro que pasaremos a explicar a continuación: ■■ Ángulo de inclinación (λ). ■■ Ángulo de corte (β). ■■ Ángulo de incidencia (α). ■■ Ángulo de desprendimiento (γ). La plaquita se halla inclinada en relación al plano horizontal, de modo que en un principio podemos localizar un ángulo de inclinación (λ) positivo o negativo, generalmente un ángulo determinado del asiento de la plaquita en el portaherramientas.

PLACA NEGATIVA

PLACA POSITIVA

Figura 3.1.  Ángulo de inclinación negativo (λ), ángulo de Figura 3.2.  Ángulo de inclinación positivo (λ), ángulo de corcorte (β) y ángulo de incidencia (α). te (β) y ángulo de incidencia (α).

El ángulo de inclinación tiene que ser negativo si el ángulo de corte (β) es de 90º, como lo es a menudo por motivos de tenacidad; si el ángulo de corte de 90º no estuviese inclinado, no existiría ningún ángulo de incidencia en la parte inferior de la punta de corte contra la pieza.

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La utilización de una plaquita negativa, con dos caras de corte, con sus correspondientes rompevirutas, resulta en principio ventajoso económicamente. No obstante, el principal inconveniente estriba en que, al disponer de un apoyo incompleto, ha de conferírsele un menor avance y profundidad de pasada. Las plaquitas positivas solo disponen de una cara aprovechable, pero a cambio permiten un apoyo perfecto en el reverso (la cara no aprovechable, completamente lisa y por tanto muy fiable para el apoyo).

El ángulo de incidencia (α) es necesario para que el filo de corte trabaje libremente, sin rozamiento. No obstante, en procesos de mandrinado y en el mecanizado del aluminio, donde son necesarias aristas de corte agudas, el ángulo de corte es más pequeño y el ángulo de inclinación positivo. En ese caso, la cara superior de la plaquita es más grande que la cara inferior. Perpendicular al filo de corte principal se halla el ángulo de desprendimiento (γ), una medida del filo en relación con el mismo corte. Como veremos un poco más adelante, el ángulo de posición de la plaquita no suele tener ni 0º ni 90º, resultando la acción del corte oblicua. El ángulo de desprendimiento suele hallarse contenido en el filo, como puede verse en la figura inferior derecha, y depende hasta cierto punto del área de aplicación de la plaquita, principalmente la profundidad de corte y el avance.

Figura 3.3.  Ángulo de desprendimiento (γ) y ángulo de inclinación (λ).

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3.1.1.2.  Ángulos de la plaquita, vista desde el plano horizontal A continuación veremos los posibles posicionamientos de las plaquitas de corte analizados desde el plano superior. ■■ κ= ángulo de posición. ■■ κe = ángulo de posición efectivo. ■■ κn = ángulo de corte libre. ■■ ε = ángulo de filo de corte. ■■ f1 = filo de corte primario. ■■ f2 = filo de corte secundario. Figura 3.4.  Ángulos de posición, plano horizontal.

Para la descripción de los ángulos hemos tomado una típica plaquita para copiado de 55º, ubicada sobre un portaherramientas estándar a 93º. Por ello se indica entre paréntesis el valor que adquiriría dichos ángulos para dicho caso. ■■ κ = el ángulo de posición de la herramienta es el ángulo entre el filo de corte primario y la superficie transitoria (93º en el ejemplo). ■■ κe = el ángulo de posición efectivo es el ángulo entre el filo de corte primario y la perpendicular a la superficie transitoria (3º en el ejemplo). En realidad adquiere importancia a efectos de refrentado en las operaciones de copiado. ■■ κ n = el ángulo de corte libre, también ángulo libre o ángulo de posición secundario, es el ángulo entre el filo de corte secundario y la superficie transitoria (32º en el ejemplo). ■■ ε = el ángulo de filo de corte es el ángulo entre el filo primario y secundario de la plaquita, y es realmente quien la define (55º en el ejemplo). ■■ f1 = el filo de corte primario es la superficie de la herramienta sobre la cual fluye la viruta durante el corte. ■■ f2 = el filo de corte secundario (también conocido frecuentemente como destalonamiento) es la superficie de la herramienta que encara la superficie transitoria. Otro factor importante a considerar es el radio de punta, directamente implicado en la duración de las mismas y en el grado de acabado superficial de la pieza. A priori debería seleccionarse un radio lo mayor posible (permite mayor avance y proporciona un filo de corte más resistente), excepto cuando aparezcan vibraciones excesivas.

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3.1.2.  La geometría de las herramientas de corte de fresado En la fresadora, es la herramienta la que gira, mientras que la pieza o la mesa de la máquina realiza el correspondiente movimiento de avance. Hay muchas formas de clasificar las herramientas de fresado. Sin introducirnos todavía en una clasificación según materiales o las operaciones a realizar (que se verá más adelante), distinguiremos primeramente dos grandes grupos entre las herramientas estándar para operaciones de fresado: ■■ Herramientas de fresado cilíndricas: en el fresado cilíndrico, el eje de rotación de la herramienta es paralelo a la superficie de la pieza de trabajo a mecanizar. En la imagen podemos ver la disposicion de la fresa y del husillo, que recordando lo visto en la unidad anterior nos obliga a la utilización de una fresadora de husillo horizontal.

Cuando las fresas solo disponen de filos laterales, se denominan fresas cilíndricas periféricas. ■■ Herramientas de fresado frontal: son fresas que disponen tanto de filos laterales como en la base, por lo que pueden ser utilizadas para multitud de operaciones. En la imagen podemos ver la disposición de la fresa y del husillo, pudiendo deducirse su ubicación en una fresadora de husillo vertical.

No obstante, existen fresas que –aunque podrían clasificarse dentro de estos grupos- merecerían una clasificación especial por su geometría y las operaciones especializadas para las que están diseñadas, Por ejemplo podríamos citar fresas destinadas a realizar ranuras en forma de T, achaflanar, tallar engranajes, etc.

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Cualquiera de estas herramientas puede ser enterizas –un cuerpo de acero rápido o metal duro integral, donde se han tallado los correspondientes filos- o de plaquitas intercambiables, de diferentes materiales como metal duro, cermet, cerámica, etc.

Figura 3.5.  Fresa enteriza de metal duro. Fuente: WALTER.

Figura 3.6.  Fresa de plaquitas intercambiables de metal duro. Fuente: SANDVIK COROMANT

3.1.2.1.  Ángulos en herramientas cilíndricas enterizas. Los ángulos que caracterizan este tipo de herramientas son los que citamos a continuación, aunque podrán comprobarse ciertas similitudes con los criterios expuestos con anterioridad para las herramientas de torneado: ■■ Ángulo de desprendimiento radial (γ). ■■ Ángulo de incidencia (α). ■■ Ángulo de incidencia frontal (λ). ■■ Ángulo de la hélice (β). A continuación realizaremos una rápida descripción de dichos ángulos. ■■ El ángulo de desprendimiento radial (γ) influye en gran medida sobre la potencia de corte y la resistencia del filo de corte. Un ángulo positivo disminuye las fuerzas de corte pero debilita el filo, y viceversa. Suele fijarse entre 10-15º para aceros, y 20-25º para aleaciones ligeras. ■■ El ángulo de incidencia (α) y el ángulo de incidencia frontal (λ) evitan el roce entre la herramienta y la propia pieza. Oscila entre los 5 y los 12º, y es mayor en la medida en la que el material trabajado es más blando. ■■ El ángulo de la hélice (β) está destinado a que la herramienta entre progresivamente en el material, de forma suave y reduciendo la fuerza axial.

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Figura 3.7.  Ángulos en herramientas cilíndricas enterizas..

Figura 3.8.  El fichero de la hta es el “Fresa cilindrica. Fuente: CERATIZIT.

3.1.2.2.  Ángulos en herramientas de fresado frontal Dichas herramientas son habitualmente de plaquitas intercambiables, por lo que nos guiaremos por una serie de dibujos de los diferentes ángulos que deben analizarse para comprender su geometría e importancia, así como para establecer los criterios de elección de una herramienta. Los ángulos a considerar son los enumerados a continuación: ■■ Ángulo de incidencia (α), ya comentado en el apartado anterior. ■■ Ángulo de desprendimiento (γ). ■■ Ángulo de inclinación (λ). ■■ Ángulo de posición (κ). El ángulo de desprendimiento (γ) es el formado por la plaquita en relación a la dirección radial de la herramienta, visto desde un plano paralelo al del trabajo. Influye de manera directa en los requisitos de potencia, necesitando menos si dicho ángulo es positivo (1,5% menos de potencia por cada grado de inclinación extra positivo).

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Figura 3.9.  Ángulo de desprendimiento (γ) positivo.

Figura 3.10.  Ángulo de desprendimiento (γ) negativo.

En cualquier caso, recordemos que una plaquita positiva se caracteriza por una necesidad de potencia menor y menos tendencia a la vibración; precisamente, los ángulos negativos deben reservarse para el trabajo de materiales duros donde se necesite un filo de corte especialmente robusto. El ángulo de inclinación (λ), también denominado ángulo de desprendimiento axial, es el que forma la plaquita en relación a la dirección axial de la pieza, visto desde un plano perpendicular al de trabajo.

Figura 3.11.  Ángulo de inclinación (λ) positivo.

Figura 3.12.  Ángulo de inclinación (λ) negativo.

Este ángulo determina el cómo impacta la plaquita sobre la pieza y en la forma en la que evacua la viruta (más o menos como lo haría la hélice de una fresa de metal enterizo cuando se trabajan grandes profundidades de corte). Un ángulo de inclinación positivo hace que el impacto entre plaquita y pieza sea menor y aleja la viruta de la pieza, algo importante para el mecanizado de materiales de viruta larga; los ángulos de inclinación negativos se utilizan para materiales de viruta corta como fundición o si son especialmente duros.

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El ángulo de posición (κ), junto con el avance, influye en el espesor de la viruta y las fuerzas de corte generadas. Como se comentará en la unidad 5 al describir las operaciones de planeado, las plaquitas utilizadas en las herramientas destinadas a tal fin presentarán un ángulo menor que las utilizadas para fresas de escuadrado, que como es lógico sólo pueden quedar ubicadas a 90º exactamente.

Figura 3.13.  Ángulo de posición (κ).

Un ángulo de posición κ de 90º proporciona unas fuerzas de corte axiales mínimas, por lo que, además de para escuadrar, podría ser útil para piezas de estructura frágil y tendencia a las vibraciones. Por el contrario, un ángulo de posición κ de 45º proporciona virutas más finas, permitiendo una mayor productividad. Manteniendo las mismas RPM que una fresa de 90º, admite un mayor avance. Como veremos más adelante, los posicionamientos intermedios (ángulos κ de 60º o 75º) aúnan ventajas de los dos posicionamientos anteriores.

3.1.2.3.  Posibles combinaciones para ángulos en herramientas de fresado A continuación haremos una síntesis de las diferentes combinaciones que pueden establecerse con los ángulos definidos anteriormente, analizando las ventajas y desventajas que presentan cada una de las citadas alternativas.

Ángulo de desprendimiento γ positivo y ángulo de inclinación λ positivo ■■ Mínimas fuerzas de corte. ■■ Mínimo consumo de potencia. ■■ Formación de viruta favorable, en espiral. ■■ Ideal para materiales dúctiles que presenten problemas de BUE o filo de aportación (aluminio, aceros dúctiles, aceros termorresistentes y algunos aceros inoxidables).

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■■ Ideal para mecanizado de piezas frágiles y no muy estables. ■■ Ideal para mecanizado de materiales con tendencia a endurecerse.

Ángulo de desprendimiento γ negativo y ángulo de inclinación λ negativo ■■ Filos de las plaquitas robustos, con alta resistencia a los impactos. ■■ Consumo de potencia muy alto. ■■ Precisa mucha rigidez para la fijación de la pieza. ■■ Negativo para materiales de viruta larga, aceros duros y fundición.

Ángulo de desprendimiento γ negativo y ángulo de inclinación λ positivo ■■ Consumo de potencia intermedio entre las fresas doblemente positivas y las doblemente negativas. ■■ Filos de las plaquitas robustos. ■■ Desalojo de viruta favorable. ■■ Ideal para profundidades de corte grandes. ■■ Ideal para fresas de disco, donde resulta vital desalojar la viruta correctamente. ■■ Solución para mecanizado general, sobre todo con ángulos de posición de 45º.

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3.2.  El material de fabricación de la herramienta Según los materiales utilizados para su fabricación, las herramientas de corte pueden dividirse en los siguientes grupos básicos: ■■ Herramientas de acero al carbono. ■■ Herramientas de acero rápido y extra rápido. ■■ Herramientas de metal duro. ■■ Herramientas de cermet. ■■ Herramientas de cerámica. ■■ Herramientas de CBN. ■■ Herramientas de diamante sintético. Tras enumarerlos, pasemos a describir qué caracteriza a cada uno de estos grupos.

3.2.1.  Herramientas de acero al carbono Las herramientas fabricadas con acero al carbono tienen como principal componente el carbono, y su aplicación como herramienta de corte es escasa actualmente debido fundamentalmente a la pérdida de la dureza y el desgaste que sufren por el calentamiento producido durante el proceso de mecanizado. Basándonos en su porcentaje de carbono y en la aplicación correspondiente, este tipo de herramientas podría clasificarse en tres grandes subgrupos: ■■ Para matrices y herramientas de corte y embutido (0,65 a 0,85% de C). ■■ Para machos de roscar, brocas y fresas (1 a 1,15% de C). ■■ Para rasquetas, buriles y similares (1,3% de C).

3.2.2.  Herramientas de acero rápido y extra rápido Están constituidas de acero aleado con metales de cromo (Cr), tungsteno (W), vanadio (V) y cobalto (Co), a fin de conseguir un gran número de partículas de carbono mediante tratamiento térmico, lo suficientemente duras y resistentes al desgaste. Mantienen su dureza a temperaturas elevadas, hasta 550º C máximo en el filo, por lo que mantienen elevadas velocidades de corte en comparación a los casos anteriores

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Un acero altamente aleado puede contener de un 0,7 a un 1,4% de carbono, además de una cantidad variable de cobalto, cromo, molibdeno, tungsteno y vanadio, lo que junto con el tratamiento térmico y los métodos de fabricación utilizados les confieren una serie de propiedades que pasamos a enumerar a continuación: ■■ Resistencia a la abrasión: dependerá del número de carburos formados y su composición. Los carburos de vanadio son los más duros y resistentes al desgaste, por lo que siempre estará presente dicho elemento. ■■ Tenacidad: el molibdeno proporcionará una mayor tenacidad, por lo que suele estar presente en brocas y fresas; sin embargo, para torneado suele utilizarse en mayor proporción los aceros al cobalto. ■■ Dureza en caliente: es el cobalto el que confiere al acero la capacidad para soportar elevadas temperaturas en el filo de corte, pero en cambio tiene un efecto pernicioso sobre la tenacidad. ■■ Afilabilidad: el azufre mejora notoriamente la afilabilidad (aunque en una proporción adecuada para no tornar el acero quebradizo), siendo los carburos grandes o de vanadio los que la dificultan en mayor medida. Se trata de un material para fabricar herramientas de un coste económico relativo bajo en comparación a los metales duros y superiores, por lo que sigue utilizándose bastante en brocas y fresas enterizas. Pueden añadírseles recubrimientos superficiales para mejorar sus prestaciones, como comentaremos a continuación en el subapartado del metal duro.

3.2.3.  Herramientas de metal duro Los metales utilizados para herramienta de corte son metales carburados de cromo (Cr), molibdeno (Mo), tántalo (Ta), titanio (Ti), tungsteno (W) y vanadio (V).

■■ Metal carburado: aleación de diversos metales con carbono, caracterizados por su gran dureza. ■■ Sinterizado: calentamiento del polvo metálico prensado y endurecido por procesos químicos.

Dichos metales carburados existen inicialmente en forma de polvo. Son mezclados con una sustancia aglutinante, generalmente cobalto, soliéndose introducir a continuación en moldes de acero y prensados hasta darle forma de plaquita de corte. Sin embargo, aún no son utilizables en dicho estado, por lo que en una fase posterior son sinterizados en un horno especial. Durante el sinterizado, el carburo se endurece con la sustancia aglutinante (cobalto), pero sin llegar a fundirse. Al contrario que sucedía con los aceros rápidos, el metal duro no debe templarse.

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El tamaño del grano es muy importantes para la relación dureza/tenacidad: cuanto más fino sea el grano, mayor es la dureza. Por otro lado, la cantidad y composición del aglutinante rico en cobalto controla la tenacidad de la calidad y la resistencia a la deformación plástica.

Este material podemos encontrarlo en forma de insertos soldados a un mango, o como es más habitual hoy día como plaquitas intercambiables.

Figura 3.14.  Porta con placa de metal duro soldada. Fuente: Figura 3.15.  Portaherramientas para plaquitas intercambiables ABRATOOLS. CNMG. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Anexo El Recubrimiento Si se requiere una especial resistencia a la abrasión, las plaquitas son revestidas con materiales muy duros (dicho recubrimiento proporcionará una superior dureza superficial y resistencia a la abrasión, mientras que el metal duro de la propia plaquita le conferirá la tenacidad y resistencia al calor). Prácticamente la mayoría de los recubrimientos se basan en el nitruro de titanio (TiN), pero actualmente se utilizan otros en función de la propiedad específica que se le desee conferir a la herramienta: carbonitruro de titanio (TiCN), nitruro aluminio de titanio (TiAlN), nitruro de aluminio al cromo (AlCrN), nitruro de zirconio (ZrN), óxido de aluminio o alumina (Al2O3), diamante policristalino y diamante amorfo (Dialub), etc. El grosor del recubrimiento varía entre 0.002 mm y 0.01 mm. No obstante, los fabricantes suelen añadir varias capas de diferentes materiales, a modo sándwich, para conferir a la herramienta las propiedades deseadas. En general, las propiedades más esperadas pueden resumirse en las siguientes: ■■ Aumentar la dureza en los filos de corte de la herramienta. ■■ Facilitar la disipación del calor que se genera en el filo de corte, con una baja conductividad térmica que favorezca la eliminación de dicho calor a través de la viruta.

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■■ Aumentar la dureza superficial, y con ello la resistencia a la abrasión. ■■ Otras propiedades ya más específicas en función de la naturaleza del material a mecanizar, como por ejemplo mejorar la fricción, mitigar la adhesión del material cortado al filo, etc. El recubrimiento se deposita en una fina capa mediante procedimientos de deposición física o químicas de vapor. Tipos de recubrimientos: Los recubrimientos pueden ser de dos tipos: CVD y PVD. La palabra CVD es la abreviatura en inglés de Chemical Vapor Deposition (deposición química en fase de vapor). Este recubrimiento se crea mediante reacciones químicas a temperaturas de 700-1000 °C, presentando una elevada resistencia al desgaste y gran adherencia al metal duro de la plaquita. Actualmente se trabaja con recubrimientos de óxido de aluminio o alumina (Al2O3), nitruro de titanio (TiN) y carbonitruro de titanio (TiCN). Éste último es el más reciente y mantiene intacta la adherencia al metal duro. La palabra PVD es la abreviatura en inglés de Physical Vapor Deposition (deposición física en fase de vapor). El recubrimiento se crea a temperaturas de 400-600 °C, mediante la evaporación de un metal que reacciona con otro material (nitrógeno por lo general) hasta formar un recubrimiento duro de nitruro. Los recubrimientos de este tipo son resistentes al desgaste, pero manteniendo en la medida de lo posible tenacidad en el filo y resistencia a las roturas. Aplicaciones: Actualmente el metal duro es el material con mayor implantación en el mecanizado (80-90% de todas las plaquitas para herramientas de corte), y por lo general se trata de la primera elección para tornear en aceros. Las calidades con recubrimiento CVD son la primera elección cuando es importante la resistencia al desgaste. Estas aplicaciones se pueden encontrar en torneado general y en mandrinado de aceros y aceros inoxidables. Las calidades con recubrimiento PVD son la primera elección cuando es importante un filo tenaz y agudo al mismo tiempo, así como para el mecanizado de materiales pastosos. En torneado son muy utilizadas para el acabado, así como para las operaciones de ranurado y roscado. Las calidades de metal duro sin recubrimiento no se hallan tan extendidas, siendo las que habitualmente se clasifican según norma ISO en el grupo H que veremos más a continuación. Se utilizan para el mecanizado de HRSA (superaleaciones termorresistentes), aleaciones de titanio y torneado de materiales templados a bajas velocidades de corte.

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Clasificación de las herramientas de metal duro Las herramientas de metal duro se clasifican según los siguientes parámetros: el material a mecanizar, el tipo de operación a realizar y las exigencias requeridas para dicha operación. La norma ISO 513:2004 determina seis grandes grupos básicos donde se engloban los metales duros. La designación se realiza mediante las letras P, M, K, N, S, H o también unos colores identificativos característicos: ■■ Grupo P (identificación mediante color azul): metal duro apropiado para el trabajo de materiales de viruta larga, fundamentalmente aceros. ■■ Grupo M (identificación mediante color amarillo): metal duro apropiado para el trabajo de materiales de viruta corta o larga, fundamentalmente aceros inoxidables. ■■ Grupo K (identificación mediante color rojo): metal duro apropiado para el trabajo de fundición. ■■ Grupo N (identificación mediante color verde pálido): metal duro apropiado para el trabajo de aluminio. ■■ Grupo S (identificación mediante color naranja pálido): metal duro apropiado para el trabajo de superaleaciones termorresistentes (HRSA), aleaciones de titanio y materiales templados. ■■ Grupo H (identificación mediante color gris): metal duro apropiado para el trabajo de piezas duras, con una dureza superior a 45 HRc. Dentro de cada uno de estos grupos existen una serie de subgrupos comprendidos entre el 01 y el 50 máximo en el caso de los aceros, en función del grado de resistencia al desgaste o de tenacidad. Esta cifra nos ayudará a elegir la plaquita de corte óptima para las particularidades que presenta la operación a ejecutar: corte continuo o corte intermitente, presencia o no de variaciones de dureza, posibles incrustaciones, vibraciones por una longitud de pieza o porta excesivos, etc.

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El valor medio es lógicamente el 25, que consideraríamos una plaquita de corte ni especialmente dura ni especialmente tenaz.

Una plaquita para acero P15, por ejemplo, se considerará más bien dura, y será por lo tanto más resistente al desgaste. En cambio, será también más frágil, por lo que solo será utilizable en casos de estabilidad asegurada y corte continuo. Una plaquita para acero P40, por ejemplo, se considerará más bien tenaz, y será por lo tanto menos resistente al desgaste. En cambio, será menos frágil, siendo utilizable en casos más difíciles como por ejemplo el corte discontinuo.

En la siguiente imagen podemos ver el reverso de una típica caja de plaquitas intercambiables, donde se aprecian los seis caracteres y colores identificativos. Debajo de los mismos aparece la recuadrada la letra P, lo que indica que la utilización de estas plaquitas es válida únicamente para aceros. Los datos de corte (profundidad de pasada, avance y velocidad de corte respectivamente) vienen indicados justo al lado.

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Además vemos la cifra 4225, cuyas dos últimas cifras (25 por consiguiente) nos indican que se trata de unas plaquitas de calidad intermedia (ni especialmente duras ni tenaces).

En la página web se realizará una descripción previa de la codificación ISO para las plaquitas corte de metal duro, tras lo cual se realizan los correspondientes ejercicios prácticos.

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3.2.4.  Cermets ​ n realidad, un cermet es en realidad un metal duro donde las partículas más duras E están basadas en el titanio en vez del carburo de tungsteno o afines, además del correspondiente aglomerante metálico (cermets). El nombre cermet viene de combinar las palabras cerámica y metal. Los cermets actuales tienen un núcleo de partículas de carbonitruro de titanio Ti(C,N), una segunda fase dura de (Ti,Nb,W) (C,N) y un aglutinante de cobalto rico en W. El Ti(C,N) aporta resistencia al desgaste, la segunda fase dura incrementa la resistencia a la deformación plástica y el cobalto aporta la adecuada tenacidad. Pueden llevar también recubrimiento PVD para mejorar la resistencia al desgaste.

Figura 3.16.  Plaquita de cermet para acero. Fuente: SUMITOMO.

Aplicaciones En comparación al metal duro convencional, el cermet posee una mejor resistencia al desgaste y menor tendencia al empastamiento (“pegado” del material mecanizado en el filo de corte), Sin embargo, poseen una menor resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Las aplicaciones típicas son de acabado. Se utiliza cuando el filo de aportación resulta problemático y en operaciones de acabado (en acero de bajo contenido en carbono, acero inoxidable y fundición nodular) con tolerancias estrechas, resultando incluso superficies brillantes. No obstante, para conseguir un mecanizado óptimo, prestaremos una especial importancia a las siguientes consideraciones: ■■ Cambiar el filo de la plaquita cuando el desgaste en incidencia llegue a 0.3 mm. ■■ Utilizar un avance y una profundidad de corte reducidos. ■■ Mecanizar sin refrigerante, al ser necesario evitar las fisuras y las fracturas térmicas.

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3.2.5.  Cerámicas En estas herramientas, el material cerámico predominante es el óxido de aluminio o alumina (Al2O3) o el nitruro de silicio (Si3N4), y se caracteriza por su gran dureza, bastante superior a la de los metales duros. El filo de corte aguanta temperaturas de hasta 1.500º C sin sufrir variaciones mecánicas, y pueden llegar a trabajar a una Vc dos ó tres veces superior a la del metal duro. No obstante, su tenacidad es sensiblemente inferior, por lo que solo pueden ser utilizadas en máquinas estables y en condiciones de corte constantes, nunca en corte discontinuo.

Figura 3.17.  Plaquitas de cerámica para mecanizado de aleaciones supertermorresistentes HRSA. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Aplicaciones Las plaquitas de cerámica se utilizan habitualmente en operaciones de torneado a alta velocidad, incluyendo en ocasiones operaciones de ranurado. Menos habitualmente, puede emplearse en operaciones de fresado como planeados. Su resistencia a los cambios bruscos de temperatura y escasa tenacidad limitan el uso de estas plaquitas, por lo que debe plantearse el trabajo con las mismas cuidadosamente.

A modo de ejemplo, es recomendable efectuar en pasadas de torneado un chaflán previamente para que, cuando entre en contacto la cerámica con la pieza, entre progresivamente.

Gran parte de las mismas trabajan sin refrigerante, lo que evita los cambios repentinos y bruscos de temperatura. Pueden emplearse para el trabajo de materiales tan variados como la fundición gris, fundición nodular perlítica, fundición endurecida, acabado en materiales templados si no hay intermitencias en las pasadas, semiacabados en HRSA (siempre con las cerámicas más tenaces posibles), aleaciones con base de Ni. También se puede utilizar para tornear piezas duras en condiciones poco favorables.

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3.2.6.  Nitruro de boro El nitruro de boro cúbico (CBN) es un material con excelente resistencia al calor, y que trabaja a velocidades de corte muy altas. Presenta también buena tenacidad y resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Las plaquitas de CBN utilizadas hoy día son en realidad compuestos de cerámica con un contenido de CBN del 40-65%. Otro grupo de calidades poseen un elevado contenido de CBN que oscila del 80-100% y que pueden incorporar un aglutinante metálico para mejorar su tenacidad. El CBN se suelda en un portador de metal duro para formar una plaquita, es decir, es únicamente la “punta” de la plaquita lo que está formado por este material.

Figura 3.18.  Plaquitas de corte de torno de CBN. Fuente: MITSUBISHI.

Aplicaciones Se utiliza en las operaciones de torneado de acabado para aceros templados especialmente duros (por encima de 45 HRc de dureza, ya que la cantidad de ferrita de los aceros menos duros debilitan la resistencia al desgaste del CBN) y para operaciones de torneado y fresado de desbaste a alta velocidad para fundición gris.

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3.2.7.  Diamante policristalino Debido a su gran dureza, el diamante policristalino natural es el material más resistente al desgaste que se conoce, y casi tan duro como éste es el diamante sintético o PCD. Aunque las pequeñas puntas de diamante de PCD son soldadas a placas base de metal duro para darles algo más de fuerza y resistencia ante los choques, lo cierto es una de sus características es su fragilidad extrema, por lo que su empleo se halla restringido por tanto a mecanizados continuos y con poca profundidad de pasada. Evidentemente, la máquina ha de ser muy rígida y trabajar en condiciones de gran estabilidad, debido fundamentalmente a que el diamante no soporta ninguna clase de vibración. También puede ser usado como revestimiento sobre otras herramientas.

Figura 3.19.  Plaquita de corte de torno de PVD. Fuente: WNT.

Se utiliza para el mecanizado de aleación de aluminio, bronce, cartón comprimido y materiales especialmente abrasivos. Sin embargo no se puede utilizar con aplicaciones ferrosas debido a su afinidad, ni en materiales tenaces y de elevada resistencia a la tracción. Además, la temperatura en la zona de corte no debe exceder los 600º C.

Aplicaciones Las herramientas de PCD trabajan materiales no férreos, como aluminio de alto contenido de silicio, plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) y superacabado de titanio.

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3.3.  Los portaherramientas Los portaherramientas son dispositivos destinados a la sujeción de la herramienta. Pero dada la diversidad existente, y la confusión que puede haber con ciertos términos, hará conveniente que realicemos una división entre los de torneado y los de fresado (y operaciones afines).

3.3.1.  Portaherramientas en los tornos Cuando nos encontramos con una herramienta con una placa de metal duro soldada a un mango, bastará con que lo introduzcamos adecuadamente en la torreta de un torno paralelo. En tornos CNC no se utiliza este tipo de portaherramientas, debido al problema que presentaría el control del desgaste que inevitablemente sufrirá.

Figura 3.20.  Portaherramientas con placa de metal duro soldada. Fuente: ABRATOOLS.

Este tipo de portaherramientas han quedado relegado hoy día a labores de mantenimiento, utilizándose en su lugar portaherramientas para plaquitas intercambiables que se fijan rápidamente al mismo por diferentes sistemas. El sistema de sujeción de la plaquita intercambiable al portaherramientas se encuentra normalizado mediante norma ISO, existiendo cuatro tipos principales que se identifican mediante los correspondientes caracteres: ■■ Sujeción tipo P: la plaquita intercambiable se sujeta por medio de una pieza con forma de palanca, que se encarga de retraer a la plaquita hacia el portaherramientas. Este sistema ofrece buena estabilidad y exactitud en la posición, elevada repetibilidad y facilidad en el cambio. Recomendable para todo tipo de mecanizado exterior e interior, excepto en corte interrumpido debido a la sujeción más deficiente en la vertical -en relación a otros sistemas-. ■■ Sujeción tipo C: la plaquita intercambiable se sujeta por medio de una brida a presión, que presiona a la plaquita sobre el asiento del portaherramientas. Las plaquitas no necesitan obligatoriamente un agujero central, algo idóneo para la sujeción de las plaquitas de cerámica al no restarles resistencia mecánica.

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Este sistema ofrece una precisión excelente y es una buena elección para el mecanizado interrumpido. Algo más complejo para el cambio de plaquita. Es una elección idónea para operaciones de acabado exterior e interior. ■■ Sujeción tipo M: la plaquita intercambiable se sujeta por medio de una cuña (o brida y tornillo), que sujeta la parte superior y lateral del mismo. Además de una excelente estabilidad, presenta una gran rigidez. Algo más complejo para el cambio de plaquita. Es una elección idónea para operaciones de acabado exterior. ■■ Sujeción tipo S: la plaquita intercambiable se sujeta por medio de un tornillo. Este sistema ofrece excelente estabilidad y repetibilidad, resultando idónea para operaciones de acabado y en mecanizado interior. En tornos pequeños, donde no existe posibilidad de insertar portaherramientas con los otros sistemas por cuestión de espacio físico, se utiliza este sistema sin placa de apoyo. Aunque depende del sistema en cuestión, vemos que por lo general incluyen una serie de piezas más o menos comunes: ■■ Plaquita de corte: de metal duro, cermet, cerámica, nitruro de boro o diamante, es la encargada d efectuar el corte. En ocasiones se le denomina inserto. ■■ Placa de asiento: aunque puede recordar a una plaquita de corte y posee su misma planta, es totalmente lisa y está destinada a soportar a la plaquita de corte. Los sistemas de fijación de tornillo de los portaherramientas más pequeños no suelen llevar placa de apoyo. ■■ Tornillo: destinado a la fijación de la plaquita de corte, de la brida o a desplazar la palanca, dependiendo del sistema. ■■ Pasador: su función no es sujetar la plaquita, sino centrarla y asegurar su posicionado correcto. ■■ Otros elementos típicos en cada sistema, como palancas, bridas, muelles, etc. Lo cierto es que los fabricantes de herramientas han ido evolucionando en este aspecto, ofreciendo en la actualidad variantes de los sistemas originales mucho más precisos y rápidos, e incluso sistemas híbridos. En las siguientes imágenes podemos ver ejemplos de estos tipos de fijación:

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Figura 3.21.  Sistema de fijación por palanca. Fuente: MITSUBISHI.

Figura 3.22.  Sistema de fijación cuña- brida. Fuente: MITSUBISHI.

Figura 3.23.  Sistema de fijación por tornillo. Fuente: MITSUBISHI.

En los tornos paralelos, como vimos en la unidad 2, estos portaherramientas se fijan mediante tornillos prisioneros a la torreta.

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Figura 3.24.  Torreta de cambio rápido con portaherramientas incorporado. Fuente: MULTIFIX SUISSE.

Sin embargo, en los tornos CNC, se ubican en un revólver con capacidad para varios portaherramientas. Existen numerosos sistemas de fijación, evidentemente muy superiores al anterior, aunque el más conocido es el VDI, ya que no requiere ninguna adaptación especial de la herramienta o de la torreta, permite el suministro de refrigerante a través de la herramienta y se utilizan las mismas llaves tanto para las unidades exteriores como interiores. En la siguiente imagen podemos ver representado en color verde una cabeza VDI (el portaherramientas aparece representado en azul, la cuña de apriete en marrón):

Figura 3.25.  Cabeza portaherramientas VDI.

3.3.2.  Portaherramientas en las fresadoras Tanto las fresadoras universales como CNC –aunque también las taladradoras, y los contrapuntos de los tornos- llevan en el husillo unos alojamientos hembras cónicos, en los cuales se acoplan unos conos que, a su vez, alojan diferentes tipos de portaherramientas.

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Por tanto, dichos conos son también portaherramientas, al tratarse después de todo de un elemento de unión entre el husillo y la herramienta, fabricado en una sola pieza para dar una mayor rigidez. Dichos conos tienen una conicidad que se enuentra normalizada. Poseen dos rebajes laterales para un giro solidario del conjunto. El montaje y desmontaje es muy sencillo, al disponer el cono en el extremo superior un agujero roscado donde se introduce un que amarra el cono, asegurando su posicionamiento. Dicho tornillo tensor–llamado tirante o prisionero de arrastre- se encarga de realizar el acoplamiento en el husillo. Lógicamente, los conos deben ser compatibles con los alojamientos hembras cónicos, existiendo diferentes sistemas normalizados. Para las máquinas CNC se han ido desarrollando sistemas caracterizados por una mayor rapidez en el cambio y ante todo, una mayor precisión.

3.3.2.1.  Partes de un cono A continuación podemos ver una representación de un típico cono, donde identificamos las partes más significativas.

Figura 3.26.  Partes de un cono ISO 30, para sujeción de herramientas mediante pinzas. Fuente: ADAJUSA.

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Tipo de brida Mediante la brida se sujeta el portaherramientas con el dispositivo de agarre del husillo del que disponga la máquina. Los dos tipos de bridas más conocidos son: ■■ Brida en V. ■■ Brida BT. Los portaherramientas con bridas BT tienen el prisionero de arrastre con rosca métrica, pero sus adaptadores pueden ser diseñados para permitir el anclaje de un amplia gama de dimensiones de herramientas de corte. Se emplean para centros de mecanizados en Japón y Europa.

Tirante o prisionero de arrastre El prisionero de arrastre permite el bloqueo con la barra tensora del husillo de la máquina mediante sujeción automática. Cada máquina herramienta utiliza un mismo modelo de prisionero de arrastre.

Conos más habituales En las siguientes líneas pasaremos a describir los conos más comunes. ■■ Cono ISO. La norma ISO poseen una conicidad de 7:24, y podemos encontrarlos en seis tamaños básicos: 30, 35, 40, 45, 50 y 60. Los grandes centros de mecanizado CNC utilizan conos ISO 60, las fresadoras CNC utilizan conos ISO 50 ó 40, mientras que las fresadoras universales de accionamiento manual suelen usar los inferiores. Son los más utilizados en Europa, siendo el tamaño 40 el más habitual.

Figura 3.27.  Cono ISO para fresa Weldon. Fuente: KNUTH.

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■■ Cono CAT. Equivalente al DIN 69871. Se emplea en el mercado americano con frecuencia, siendo sus tamaños 30, 35, 40, 45 y 50. El 40 y 50 son los más empleados.

Figura 3.28.  Cono CAT para fresas de planear. Fuente: CHUMPOWER MACHINERY.

■■ Cono BT. El cono MAS-BT (norma MAS 403) se emplea en el mercado europeo, japonés y chino. A diferencia del cono CAT, la ranura de agarre se halla descentrada, por lo que la pestaña superior es más amplia que la inferior.

Figura 3.29.  Cono BT para fresa Weldon. Fuente: KNUTH.

■■ Cono HSK. El cono HSK es equivalente bajo norma al DIN 69893. Estas herramientas utilizan un cono corto, y están diseñadas para el mecanizado de alta velocidad o MAV (para velocidades de giro del husillo superiores a 8000 RPM), aunque también están disponibles para tornos CNC. Normalmente se utilizan los tamaños 32, 40, 50, 80 y 100. El sistema HSK (Hollow Shank Kegel) fue desarrollado por un consorcio alemán de fabricantes de centros de mecanizado, los usuarios y los fabricantes de herramientas, junto con el Laboratorio de Máquinas de la Universidad de Aachen.

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Figura 3.30.  Vista posterior de cono HSK100A de Röhm. Fuente: FORMAT PLUS ARAGÓN.

Siendo más corto y ligero que el resto de los conos comentados anteriormente, su tamaño y peso son reducidos. Además, al ser hueco, sus paredes son delgadas y permite cierta deformación contra el interior del husillo, por lo que los conos HSK resultan más rígidos. El aumento de la fuerza centrífuga en los conos ISO fuerza la expansión del eje del husillo, haciendo que tienda a introducirse hacia el interior del husillo, lo que conlleva imprecisión en el mecanizado –por culpa del desplazamiento que ha sufrido la herramienta respecto al husillo- y que se atasque el cono si el husillo frenase bruscamente y recupeasre sus dimensiones. Sin embargo, en el sistema HSK el amarre se efectúa mediante unas garras que se ajustan en una oquedad dentro del cono con forma de copa. Aunque las RPM se incrementen el contacto físico se mantiene en todo momento, al expandir la fuerza centrífuga dichas garras contra el eje del husillo. Además existe un doble contacto en la unión del cono y el husillo, asegurándose así el posicionado correcto cada vez que se colocar el cono y evitándose que el conjunto cono-herramienta se introduzca dentro del husillo –lo que hemos comentando que sucedía con los conos ISO al alcanzarse altas RPM-. No obstante esto hace que presenten más problemas ante la presencia de virutas o lubricante, por lo que ha de asegurarse una limpieza y eliminación de impurezas en los cambios de herramienta mediante un soplado con aire comprimido previo.

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Figura 3.31.  Comparativa entre un cono ISO 50 y un HSK-A100. Fuente: INTEREMPRESAS.

Existen varios tipos de conos HSK (A, B, E, F son los habituales). Se clasifican con dos o tres cifras y una letra, siendo el HSK-63A el más común. Las cifras dan el diámetro exterior del plato que encaja sobre la cara del husillo, mientras que la letra indica el tipo de cono en función de diversos factores como la longitud. Es muy interesante la inserción de chips de datos en estos conos, al permitir por ejemplo la identificación mediante radio frecuencia (RFID) de las herramientas. El cono posee un alojamiento de unos 10 mm donde se inserta dicho chip, que es leído por el correspondiente sensor durante el cambio de herramienta. Los chips RFID de los portaherramientas almacenan los datos geométricos y de los procesos en los centros de mecanizado, simplifica tareas como la programación, almacenamiento, montaje, preajuste y gestión de las herramientas. El operario conoce cuando debe efectuarse el cambio de herramienta o cuánto tiempo puede utilizarla todavía.

Figura 3.32.  Identificación y lectura de datos de un HSK. Fuente: SIEMENS.

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Sistemas de fijación de la herramienta más habituales Todos los conos (ISO, CAT, BT, etc) están diseñados para acoplar los diferentes sistemas de sujeción que se utilizan en las operaciones de mecanizado. A continuación comentaremos los sistemas para fijar la herramienta de corte más conocidos: 1. Pinza DIN 6388 y DIN 6499. En este sistema, una pinza metálica elástica –gracias a sus ranurados- se encarga de atrapar y apretar el mango cilíndrico de la herramienta de corte. Se trata de un sistema clásico, con un coste bajo y una gran facilidad de uso. La rigidez del amarre es buena. Dependiendo del tipo de pieza, puede lograrse una precisión lo suficientemente elevadas. Además, la relativa elasticidad de la pinza permite cierto cerramiento adicional – hasta 1 mm-, permitiendo así el atrape de mangos cilíndricos algo más pequeños del diámetro nominal del agujero de la pieza. Por ejemplo, una pinza de 4 mm admitiría el amarre de fresas y brocas de entre 4 y 3 mm.

Figura 3.33.  Maletín con juego de pinzas de apriete ER. Fuente: MACK WERKZEUGE AG.

2. Sujeción hidráulica de la herramienta. Se utiliza un embalse de aceite para igualar la presión de sujeción alrededor del mango de la herramienta. Se puede incrementar o disminuir la presión del aceite mediante el giro de un tornillo sobre el mango de la herramienta.

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En este sistema el fluido almacenado amortigua las vibraciones. La rigidez del amarre es la menos fuerte de todas las comentadas. La precisión es muy buena y permite un cambio de herramienta muy rápido por parte del fresador, pero se trata de un sistema bastante costoso.

Figura 3.34.  Portaherramientas hidráulico con cono HSK. Puede observarse el tornillo de regulación de la presión. Fuente: HYDROFORCE.

3. Ajuste por zunchado. Este sistema emplea la temperatura para la fijación de la herramienta. A temperatura ambiente, el diámetro del portaherramientas calibra un tamaño inferior comparado con el diámetro del mango de la herramienta. Al calentar el portaherramientas –hasta unos 300º ó 400º- se dilata, permitiendo la introducción del mango de la herramienta de corte. Para extraer la herramienta ha de procederse a la refrigeración del portaherramientas para que éste se contraiga. Es el sistema que da un mayor par de apriete, repetibilidad y concentricidad. A diferencia de los otros tipos de sujeciones, los sistemas de zunchado térmico no tienen ningún sistema interno que ejerza presión para sujetar la herramienta –es el propio orificio del cono el que encaja la herramienta con extrema precisión-. Precisa de una inversión inicial para el equipo de calentamiento y posterior refrigeración, aunque actualmente el coste y los tiempos han disminuido.

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Figura 3.35.  Portafresas térmico con tolerancia h6. Fuente LAIP y máquina para zunchado. Fuente KELCH.

4. Weldon y Whistle Notch. En estos sistemas, muy similares, la herramienta posee un plano fresado en el margo cilíndrico, con objeto de que un tornillo lateral presione radialmente a la herramienta contra el dispositivo de sujeción. Se trata de un sistema clásico, con un coste bajo y una gran facilidad de uso. La rigidez del amarre es muy buena.

Figura 3.36.  Portaherramientas cono BT para amarre de fresas Weldon. Fuente: DEREK.

Figura 3.37.  Fresa de sujeción Weldon. Fuente: WIDIA.

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La diferencia entre ambos sistemas estriba en que en el sistema Weldon, el mango cilíndrico de la herramienta posee una cara plana, contra la que se efectuará el apriete del tornillo. Sin embargo, en el sistema Whistle Notch la cara del mango de la herramienta sobre la que aprieta el tornillo lateral, es inclinada en lugar de plana, lo que incrementa aún más la seguridad del apriete.

Figura 3.38.  Broca de sujeción Whistle Notch. Fuente: HOLEX.

5. Portafresas. Los portafresas –también conocidos como mandriles- se utilizan para sujetar fresas de gran diámetro, entre 40 y 250 mm, destinadas a realizar planeados, escuadrados y ranurados. Disponen de un anillo de arrastre –encargado de asegurar la transmisión del giro entre cono y fresa- y una tuerca inferior de apriete llamada cruceta por su forma de cruz.

Figura 3.39.  Cono BT con cruceta y anillo de arrastre. Fuente: GARANT.

6. Morse. En este sistema, el cono posee un alojamiento hembra donde se introducirán las herramientas que posean mango Morse.

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Figura 3.40.  Broca de mango cono Morse. Fuente RUKO

El sistema proporciona un montaje sencillo y buena precision, por lo que se utiliza mucho con brocas y escariadores provistos de mango Morse. No obstante, las herramientas dotadas de mango Morse son ligeramente más caras que las de mango cilindrico. En maquinas manuales, la extracción se realiza introduciendo una cuña en el alojamiento que ha de poseer el mango de la herramienta –con forma de chavetero- y efectuando un golpe seco. Las dimensiones de los conos Morse –en inglés Morse Taper- se hallan normalizadas para facilitar su uso. A continuacion indicamos la relacion de conicidad de cada uno de los estándares: □□ Cono Morse 0: conicidad del 5,20%. □□ Cono Morse 1: conicidad del 4,98%.  □□ Cono Morse 2: conicidad del 4,99%.  □□ Cono Morse 3: conicidad del 5,02%.  □□ Cono Morse 4: conicidad del 5,19%.  □□ Cono Morse 5: conicidad del 5,26%.  □□ Cono Morse 6: conicidad del 5,21%. Precisamente existen unos conos Morse, denominadores adaptadores o reductores, cuya mision es alojar mangos Morse de herramientas de un número menor que el de la máquina-herramienta.

Figura 3.41.  Adaptador conos Morse DIN 2185. Fuente: FORCH ESPAÑA. Figura 3.42.  Cuña para extracción. Fuente: COFAN.

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7. Otros. Además de los anteriores, existen más sistemas de mayor o menor uso para el amarre de fresas. Por ejemplo, son bastante conocidos los de amarre de fresas provistas de mango roscado, el típico portabrocas, etc. Existen algunos específicos para el amarre de brocas, escariadores o machos de roscar, e incluso hay algunos donde la propia herramienta se halla integrada en el cono –por su elevado coste, sólo se utiliza cuando se desea extremada precisión-.

Anexo No obstante, algunos de los más reputados fabricantes incorporan en sus catálogos actualmente diferentes sistemas de fijación –mecánicos y/o hidráulicos-, en ocasiones mejoras sobre sistemas anteriores y en otras ocasiones incorporando novedades. En este último caso suelen requerir adaptaciones especiales para poder utilizarlo y tienen un coste más elevado, pero ofrecen indudables ventajas de precisión, repetibilidad y rapidez de montaje. Aunque resultaría imposible exponer todas las mejoras de los fabricantes han ido introduciendo, citaremos a continuación dos ejemplos de dos reputados fabricantes que corroboran lo indicado anterioremente.

Un ejemplo: el sistema Coromant Capto® de Sandvik Coromant A modo de ejemplo, uno de los sistemas exclusivos más efectivos y extensos es el sistema Coromant Capto®, un concepto modular de cambio rápido de herramienta para torneado y fresado. Permite un cambio rapidísimo y automatizado de la herramienta, con capacidad de autocentrado. En la imagen siguiente podemos ver el momento del cambio de una de estas cabezas modulares.

Figura 3.43.  Sistema de fijación modular Coromant Capto®. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Dicha rapidez optimiza el aprovechamiento de la máquina y reduce drásticamente los tiempos de configuración y de cambio de herramienta, un factor crítico en la fabricación mediante máquinas CNC. En la siguiente imagen podemos ver resumidos diferentes opciones de este sistema localizables para un torno CNC.

Un ejemplo: el sistema 3LOCK de Nikken El sistema 3LOCK es un sistema de triple contacto para fresadoras y centros de mecanizado con sistema original de cono BT. Precisa de un cono conformado para ajustarse a un cono externo de 7/24. Este cono es pre-cargado en el cuerpo con muelles de disco. Mediante la combinación del cono y los muelles de disco se consigue el triple contacto del cono exterior, el cono interior y la cara frontal del cabezal.

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El sistema permite amortiguar vibraciones y corregir errores de longitud en el eje Z.

Figura 3.44.  Sistema 3LOCK. Fuente: NIKKEN.

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3.4.  El desgaste de la herramienta El desgaste de la herramienta durante el mecanizado es un fenómeno ineludible, que va generándose de manera progresiva hasta que ésta resulta inservible. Las causas de desgaste de una herramienta son variadas, como veremos a continuación, y se producen simultáneamente. Lógicamente, elegir una herramienta de corte adecuada a las particularidades del mecanizado a realizar retrasará la aparición del desgaste. Durante el mecanizado las herramientas de corte se hallan sometidas a condiciones de corte adversas –esfuerzos mecánicos, fricción entre materiales, temperaturas muy altas debido al rozamiento, etc-. Además, en las herramientas de corte de fresado, el corte se produce de manera discontinua al haber varios filos de corte, siendo más fácil que pueda originarse un fallo catastrófico o colapso por fatiga del material de la herramienta. Si se emplean fluidos refrigerantes la situación puede empeorarse: durante el corte el filo de la herramienta recibe calor producido por el corte y el enfriamiento producido por el fluido, pero en los intervalos donde no hay corte el filo es enfriado repentinamente por el fluido, dando lugar a tensiones y dilataciones que se traducen en una fatiga térmica y el correspondiente fallo del filo de la herramienta. A modo de resumen, el fallo puede producirse por tres causas: ■■ Fallo por temperatura. Se ocasiona cuando la temperatura de la herramienta es demasiado alta para el material, generándose un ablandamiento y pérdida de su geometría. Eso provoca una alteración de los ángulos de desprendimiento, incidencia, radio de punta, etc... y en consecuencia, de sus parámetros de corte, generándose acabado superficiales inadecuados. ■■ Fallo por fractura. Se ocasiona ante condiciones de corte o geometría de la herramienta que no son las adecuadas para el material mecanizado y la herramienta empleada. El corte discontinuo en el fresado incrementa esta posibilidad. ■■ Desgaste gradual. Se ocasiona por la fricción con la pieza, generándose un desgaste gradual del filo de corte de la herramienta.

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A continuación se detallan los mecanismos de desgaste más comunes en los procesos de mecanizado (información del reputado fabricante Sandvik Coromant):

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3.4.1.  El control del desgaste gradual en máquinas de control numérico De los fallos mencionados, el control del desgaste gradual o progresivo es el más fácil de controlar por parte del operario de la máquina-herramienta. Es relativamente sencillo predecir la vida útil de la herramienta, para así sustituirla sin afectar a las producciones en serie con máquinas-herramientas de control numérico.

Los otros dos tipos de fallos suponen un incremento en los costes de producción. ■■ El fallo por temperatura es impredecible pero puede predecirse gracias al cambio de color de la herramienta. ■■ El fallo por fractura es impredecible y súbito, afectando a la pieza que se está trabajando –al tener que reiniciar el proceso de desbaste donde se produjo el colapso o incluso tirando la pieza si la operación era de acabado y ésta quedó inservible-.

El control del desgaste gradual de la herramienta es precisamente un factor crítico en el mecanizado en serie mediante la vigilancia y posterior corrección del desgaste, suele ir deduciéndose gracias a las desviaciones observadas en las medidas de la pieza obtenida. Por ejemplo, en operaciones de rebaje de diámetros exteriores en piezas torneadas, el desgaste de la herramienta irá traduciéndose en un aumento de los diámetros obtenidos (a herramienta de menor longitud, medida de pieza superior). Será labor del operario introducir los valores de corrección oportunos para la obtención de las medidas esperadas.

Supongamos que se desea obtener un diámetro de pieza exterior de 50 mm, y el programa de CNC realizado y una herramienta nueva permite la obtención de dicha medida. Cuando la herramienta se desgasta físicamente y pierde medida, la pieza pasa a obtenerse con un diámetro superior. Así, si la herramienta perdiese 0.03 mm por desgaste, el diámetro obtenido pasaría a ser de 60.06 mm. El operario o el sistema de corrección automático, al comprobar la medida no deseada, debería introducir en el CNC un valor corrector de -0.03 mm para solventar la desviación.

Obviamente llega un momento en el que la vida de la herramienta llega a su fin, generalmente cuando se produce el fallo y ésta queda inservible para el mecanizado. En dichos casos ha de recurrirse ya al cambio físico de la herramienta.

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3.5.  La maquinabilidad de los materiales Anteriormente ya hemos comentado los diferentes materiales con los que podía estar fabricada una herramienta para mecanizado mediante arranque de viruta. Sin embargo, en este apartado realizaremos una serie de consideraciones sobre las particularidades que presenta la maquinabilidad de piezas ateniendo al material que conforman las mismas.

La maquinabilidad es una propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con la que pueden ser mecanizados por arranque de viruta.

Lógicamente, la naturaleza del material empleado determinará de manera directa las herramientas a emplear, los datos de corte e incluso las propias estrategias de mecanizado.

3.5.1.  Acero (grupo P) El acero es una aleación cuyo componente principal es el hierro (Fe). Como ya sabemos, actualmente el acero es el grupo más amplio de materiales mecanizados. Los aceros no aleados suelen tener un contenido de carbono menor del 0.8% y solo contienen hierro (Fe), carbono (C) e impurezas. Los aceros aleados tienen un contenido de carbono inferior menor del 1.7 % y además del hierro (Fe) y carbono (C), contienen otros elementos en la aleación como Ni, Cr, Mo, V y W. Los aceros de baja aleación contienen elementos de aleación en una proporción inferior al 5%, mientras que en los de alta aleación la proporción es superior al 5%. El acero puede estar sin tratar térmicamente (sin templar), o templado y revenido, con una dureza de hasta 400 HB. Sin embargo, los aceros con una dureza elevada (entre 48 HRC y 65 HRC) pertenecerán al grupo ISO H.

Maquinabilidad de los aceros Como era de esperar, la maquinabilidad de los aceros resultará diferente según los elementos que incorpore en la aleación, el tratamiento térmico o químico al que haya sido sometido, y el proceso de fabricación –forjado, fundición, etc-. El acero no aleado tiene buena maquinabilidad en general, especialmente a medida que aumenta el contenido en carbono. En los aceros de mayor contenido en carbono o endurecidos es mejor, ya que si el material tiene bajo contenido en carbono y por tanto resulta muy blando, se crean virutas largas difíciles de romper y controlar, además de más pastosas.

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El acero de baja aleación, el material más común actualmente en mecanizado, también posee una buena maquinabilidad en general. No obstante, en los casos donde haya tendencia al empastamiento en el filo, pueden emplearse altas velocidades de corte así como filos o geometrías agudas, con cara de desprendimiento positiva y calidades con recubrimientos delgados. En el acero de alta aleación, una elevada dureza puede cambiar esta tendencia a una buena maquinabilidad. Para solventar esta dureza excesiva puede someterse el material a un recocido de ablandamiento, lo que exigirá volver a tratar térmicamente la pieza después de mecanizarla para que recupere las propiedades iniciales. Un problema añadido pueden ser las posibles incrustaciones, como en el acero fundido, donde puede hallarse arena y escoria que fuerzan la utilización de herramientas de una elevada tenacidad en el filo –y por tanto un desgaste más rápido por la falta de dureza-.

Influencia de los diferentes elementos Los elementos que formar parte de la aleación pueden tener efectos positivos o negativos en el mecanizado, aunque lógicamente dependerá del porcentaje encontrado. ■■ Carbono (C): el carbono influye sobre la dureza. A mayor contenido el mecanizado es fácil, siendo cada vez más notable el desgaste por abrasión. Sin embargo un contenido bajo en carbono –0.2% o menor- incrementa el desgaste por adherencia de material al filo y a una mala rotura de la viruta. ■■ Cromo, Molibdeno, Wolframio, Vanadio, Titanio, Niobio (Cr, Mo, W, V, Ti, Nb): son los elementos que forman parte del metal duro, y aumentan el desgaste por abrasión. ■■ Además, el Ti, V, Nb y también el aluminio se utilizan para afinar el grano del acero, haciendo que sea más tenaz y más difícil de mecanizar. ■■ Oxígeno (O): forma incrustaciones oxidantes y muy abrasivas. ■■ Fósforo, Nitrógeno, Carbono (P, N, C): reducen la ductilidad, aumentando el desgaste por adherencia. ■■ Plomo, Azufre (Pb, S): forma parte del denominado acero de fácil mecanización. Disminuye la fricción entre viruta y plaquita, reduciéndose así el desgaste y facilitando la rotura de la viruta. No obstante, un exceso de azufre es considerado impureza, y vuelve al acero quebradizo. ■■ Calcio, Manganeso (Ca, Mn): forman sulfuros blandos de efecto lubricante. El Mn junto con S mejora además la rotura de la viruta.

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3.5.2.  Acero inoxidable (grupo M) El acero es una aleación de hierro (Fe) y poco carbono (C ≤ 0.05 %), donde los elementos de la aleación pueden níquel (Ni), cromo (Cr), molibdeno (Mo), niobio (Nb) y titanio (Ti), que le aportan resistencia a la corrosión. Presentan una considerable dureza y una mala transmisión de calor, lo que genera un aumento de la temperatura. En el fresado puede resultar interesante la utilización de aceites de corte, en lugar de los refrigerantes habituales.

Maquinabilidad de los aceros inoxidables Los aceros inoxidables que presentan mejor maquinabilidad son los que tienen poco contenido en carbono y aproximadamente un 16% de cromo. Los aceros inoxidables ferríticos y martensíticos presentan una buena maquinabilidad, especialmente los primeros, bastante parecida a la de los aceros de baja aleación. El contenido de Cr oscila entre el 12-18%. Al contener poco níquel, el acero inoxidable ferrítico tiene comparativamente un coste económico bajo, por lo que se puede utilizarse cuando la resistencia a la corrosión requerida es limitada. Los aceros martensíticos se pueden templar. La maquinabilidad es buena y similar a la del acero de aleación baja, por ello se clasifican como material ISO P. Sin embargo, los aceros inoxidables austeníticos se endurecen todavía más durante el proceso de mecanizarlo debido a las fuerzas de corte –se genera mucho calor en el mecanizado-, generando virutas complicadas por si dificultad para romper. Se recomienda la utilización de geometrías positivas. Los aceros inoxidables dúplex –resultado de la adición de níquel a un acero inoxidable ferrítico con base de Cr, y que poseen una alta resistencia a la tracción y a la corrosión-, también poseen una baja maquinabilidad. Se producen virutas muy resistentes, que provocan un efecto de martilleado y generan fuerzas de corte elevadas y mucho calor durante el mecanizado.

3.5.3.  Fundición (grupo K) Tradicionalmente se ha considerado la fundición una aleación de hierro (Fe), carbono (C) y otros posibles elementos, donde el carbono se presenta en una proporción superior al 2%. No obstante, hay diferentes subgrupos que varían sus características notablemente. Hay cinco tipos principales de fundición férrica: ■■ Fundición gris (GCI). ■■ Fundición maleable (MCI). ■■ Fundición nodular (NCI). ■■ Fundición dúctil austemperizada (ADI).

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3. Herramientas de corte

■■ Fundición de grafito compactado (CGI). Las fundiciones se consideran materiales con buena maquinabilidad, a excepción de la fundición nodular cuyo mecanizado resulta más complejo. En realidad, la mayor parte de los problemas tienen su origen en una fundición irregular, la presencia de superficies duras y las inclusiones de granos. Como suelen ser abrasivas, se emplean herramientas con recubrimiento.

Maquinabilidad de la fundición Con la fundición gris (GCI) se generan bajas fuerzas de corte y la maquinabilidad es muy buena. Solo se genera desgaste por abrasión, no hay desgaste químico. Suele alearse con cromo para mejorar sus propiedades de resistencia mecánica, aunque ello conlleva una maquinabilidad inferior. Puede mecanizarse sin refrigerante. La fundición maleable (MCI) posee una resistencia a la tracción superior a la gris, pero sigue conservando una muy buena maquinabilidad. En la fundición nodular (NCI) se forma filo de aportación, especialmente en las fundiciones más blandas. En las más duras, sin embargo, se generan desgastes por abrasión y/o deformación plástica. La fundición dúctil austemperizada (ADI), empleada cada vez más en el sector del automóvil en sustitución de aceros, otras fundiciones y aluminios, poseen una maquinabilidad buena aunque provocan un desgaste superior en el filo debido a su alta resistencia y ductilidad.

La ductilidad es una propiedad de algunos materiales que, bajo la acción de una fuerza, son capaces de deformarse plásticamente antes de romperse definitivamente. Mediante esta acción es posible lograr alambres o hilos de metal. Los materiales frágiles se rompen sin aviso previo, mientras que los dúctiles sufrirán antes dicha deformación.

La fundición de grafito compactado (CGI) posee una maquinabilidad buena, aunque como posee más resistencia a la tracción que la fundición gris y menor conductividad térmica, se generan mayores fuerzas de corte y más calor. Como se emplea en la fabricación de motores, culatas de cilindros y frenos de disco, las operaciones de mecanizado habituales son planeados y mandrinados de cilindros.

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Teoría de mecanizado

3.5.4.  Materiales no férricos (grupo N) En este grupo se incluyen diferentes materiales, por lo general relativamente blandos. El más conocido es el aluminio, el segundo metal más utilizado –gracias a su favorable combinación de baja densidad, alta conductividad, fácil reciclaje y dureza aceptable-, pero también encontramos otros como el bronce, el latón, las aleaciones superligeras de magnesio, etc.

Maquinabilidad de los materiales no férricos El aluminio es generador de virutas largas y es muy pastoso, por lo que su mecanización puede considerarse problemática. No obstante, si está aleado, el control de la viruta se mejora bastante. Las fuerzas de corte y la potencia requerida para el aluminio son bajas. Un aspecto importante en la fundición de aluminio es el porcentaje de silicio, cuyo objetivo es mejorar las características de la colada durante su fabricación –mejora la fluidez y la resistencia al agrietamiento en caliente-. Pero debido precisamente a la naturaleza abrasiva del silicio, las aleaciones con contenidos superiores al 7-8%, han de mecanizarse con calidades de punta de diamante. Sin embargo, cuando el contenido en silicio es inferior a ese 7-8%, puede mecanizarse con plaquitas de metal duro sin recubrimiento. El procedimiento empleado para la fabricación del aluminio –fundición o sinterizadoasí como los posibles tratamientos, hacen que la dureza varíe de forma significativa, y aunque en menor medida, afectar a la maquinabilidad. El bronce y el latón en general tienen buena maquinabilidad, utilizándose grandes velocidades de corte y obteniendo calidades superficiales buenas.

3.5.5.  Superaleaciones termorresistentes HRSA y titanio (grupo S) En este grupo se divide en superaleaciones termorresistentes (HRSA) y en el titanio. Los materiales HRSA se dividen a su vez en tres grupos: ■■ Aleaciones con base de níquel. ■■ Aleaciones con base de hierro. ■■ Aleaciones con base de cobalto.

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3. Herramientas de corte

Aunque las aleaciones termorresistentes puedan resultarnos desconocidas, son frecuentemente conocidas por el nombre comercial de algunas de las mismas, como por ejemplo: Inconel, Ascolloy, Waspalloy, Stellite, etc.

Las propiedades de estas superaleaciones y el titanio son ideales para el sector aeroespacial, médico y energético, al presentar una alta resistencia a la corrosión manteniendo su dureza y resistencia a altas temperaturas. Es frecuente su uso en motores aeroespaciales y turbinas de gas, industria petrolífera y de gas en mar abierto o en implantes médicos.

Maquinabilidad de las superaleaciones termorresistentes y titanio Sin embargo, esta elevada resistencia a las altas temperaturas –tan ventajosa en sus aplicaciones-, hace que su maquinabilidad sea muy mala debido a la alta resistencia mecánica y la mala conductividad térmica –graves problemas en la disipación del calor en el filo-. Esta malísima maquinabilidad de estos materiales obliga a que la calidad y la geometría de la plaquita de corte utilizada sean específicas, debido a las elevadas exigencias que plantean. En general se utiliza plaquitas intercambiables cuyo filo posea una gran resistencia al calor, un nivel adecuado de tenacidad y una buena adherencia del recubrimiento que evite que se pierda prematuramente. La geometría de la plaquita ha de ser positiva, con un filo agudo y resistente, y un rompevirutas de diseño específico –en las superaleaciones es interesante el uso de plaquitas redondas si es posible-. La velocidad de corte empleada es muy baja.

3.5.6.  Acero templado (grupo H) En este grupo se incluyen los aceros templados y revenidos con una dureza entre 45 y 68 HRC, por ejemplo para la fabricación de cojinetes de bolas y acero para herramientas. Pero también podemos introducir en este grupo otros materiales como la fundición blanca, el acero al manganeso, el acero para construcción, etc. Precisamente una de las aplicaciones más interesantes del Mecanizado de Alta Velocidad o MAV es el mecanizado de moldes y matrices en aceros endurecidos, incluyendo el mecanizado de electrodos. Debido a la existencia de radios muy pequeños y aristas interiores complicadas, la mayoría de piezas se acaban entre un 80 y 90% con MAV, realizando el acabado final de las zonas mencionadas con electroerosión.

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Teoría de mecanizado

Maquinabilidad del acero templado Por lo habitual, la operación de mecanizado aplicada en estos materiales es el acabado. La maquinabilidad no es buena, ya que la potencia de corte requerida es muy alta y la viruta se controla con cierta dificultad. Para el fresado y el taladrado, se utilizan plaquitas de metal duro. Para el torneado se puede utilizar también cerámica, cuando la pieza tiene exigencias moderadas de acabado superficial y la dureza es demasiado alta para el metal duro. La herramienta ha de poseer buena resistencia al desgaste por abrasión, resistencia mecánica, resistencia a la deformación plástica (resistencia al calor), y ser lo más estable químicamente posible (resistencia a las altas temperaturas). El Las plaquitas de nitruro de boro cúbico o CBN poseen dichas características, pudiéndose incluso tornear en lugar de rectificar. Grafico comparativo. A continuación podemos ver, a modo de resumen, un interesantísimo gráfico del fabricante Sandvik donde aparece reflejada la formación de viruta y las temperaturas alcanzadas según el tipo de material mecanizado.

Figura 3.45.  Sección de una plaquita de metal duro durante el mecanizado. Temperatura en grados Celsius. Fuente SANDVIK COROMANT.

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3. Herramientas de corte

3.6.  Los datos de corte En la unidad 2 estudiamos los diferentes mecanismos de las máquinas-herramientas que permiten efectuar los movimientos básicos necesarios para las operaciones de mecanizado. Plantear una adecuada elección de los parámetros de corte, sin duda, constituye uno de los pilares fundamentales de la economía en el mecanizado.

Figura 3.46.  Movimiento de corte, de avance y de penetración en torno.

3.6.1.  Movimientos de corte básicos Estos movimientos se dividen en tres, que pasaremos a especificar a continuación. No obstante, en un apartado posterior, comentaremos una serie de conceptos relacionados igualmente importantes.

3.6.1.1.  Velocidad de corte Es el generado en el torno por la pieza cuando ésta gira, o en fresadora por la herramienta cuando ésta gira. Los tornos convencionales poseen una gama fija de velocidades, pero los tornos CNC disponen de variadores automáticos de velocidad de giro que hacen que pueda regularse con exactitud la velocidad de corte adecuada. En las fresadoras y máquinas afines, sin embargo, la herramienta girará siempre a las mismas RPM dado que no hay variaciones significativas en el diámetro de la herramienta.

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Teoría de mecanizado

La velocidad de corte es la velocidad relativa e instantánea existente en el punto de contacto entre la pieza y el filo de corte de la herramienta. La Vc se expresa en m/min (metros por minuto). No obstante, no deberemos confundir la velocidad de giro del husillo, que es sencillamente la velocidad en revoluciones por minuto (RPM) a la que gira la pieza en el torno o la herramienta en la fresadora, con lo que denominaremos velocidad de corte o Vc

Para comprender mejor este concepto, la velocidad de corte podría definirse como la cantidad de metros de viruta que es capaz de arrancar una herramienta tras un minuto cortando.

Se trata de una velocidad relativa, debido a que podemos encontrar casos en los que es la pieza la que gira y la herramienta la que está avanzando (torneado), en los que es la herramienta la que gira y la pieza la que está avanzando (fresado, taladrado) o en los que ambos elementos estén girando (rectificadoras cilíndricas). A continuación se muestra la fórmula para la velocidad de corte, donde como puede verse influyen tres variables fundamentales: la propia velocidad de corte, la velocidad de giro del husillo y el diámetro de pieza alcanzado.

Vc =

π·D· n 1000

Donde: Vc

Velocidad de corte, en metros por minuto.

π

3,1416.

D

Diámetro de la pieza en el punto de torneado, en milímetros.

n

Velocidad de giro de la pieza, en revoluciones por minuto (RPM).

La Vc recomendada para cada una de las herramientas en el mecanizado de un determinado material (para en su correspondiente área de aplicación), es suministrada por el propio fabricante de la herramienta. Es el parámetro más importante entre los reseñados, y debe procurar mantenerse constante en todo momento, aunque sin sobrepasar los límites determinados por el fabricante de la herramienta.

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3. Herramientas de corte

Durante el refrentado de la pieza en el torno se produce una circunstancia singular: al llegar el punto de corte de la herramienta al eje de revolución de la pieza, se alcanza diámetro cero, por lo que en función de la fórmula para la Vc debería alcanzarse un número infinito de revoluciones para mantener dicha Vc constante. Puesto que eso resulta imposible, debe fijarse un número de revoluciones máximo admisible y asumir la inevitable variación en la Vc.

Una velocidad de corte demasiado elevada provocará: ■■ Calidad de mecanizado deficiente. ■■ Desgaste muy rápido del filo de la herramienta. ■■ Deformación plástica del filo, con pérdidas de tolerancias. Sin embargo, una velocidad de corte demasiado baja provocará: ■■ Formación de filo de aportación o BUE, en el filo de la herramienta. ■■ Evacuación deficiente de la viruta. ■■ Baja productividad.

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Teoría de mecanizado

PROGRAMACION EN MÁQUINAS DE CNC En las tornos CNC, es frecuente la programacion en las operaciones estándar de torneado de la Velocidad de corte. Ello es debido a que, conforme se va desbastando, la pieza cambia obviamente su diámetro. Si nos atenemos a la fórmula de la Velocidad de corte vista anteriormente, veremos que un menor diámetro de pieza implicará un aumento de las RPM si deseamos mantener la Velocidad de corte constante, y viceversa. La función ISO para programar la Velocidad de corte es G96, seguida del carácter S y el valor de dicha velocidad expresada en metros/minuto. Ejemplo de programación según norma ISO, para el desarrollo de una velocidad de corte de 235 metros/minuto. G96 S235 El torno CNC, gracias al variador automático de velocidad, ajustará las RPM hasta alcanzar el valor de corte deseado (dicho de una forma sencilla, obtener 235 metros de viruta cortada tras un minuto de mecanizado). Sin embargo, en las fresadoras CNC se efectúa directamente la programacion de las RPM de giro de la herramienta, y no de la Velocidad de corte a la que trabaja ésta. Ello es debido a que la herramienta posee siempre un mismo diámetro, por lo que ateniéndonos a la fórmula de la Velocidad de corte, vemos que al no existir un cambio en el diámetro, no es necesario un aumento o disminución de las RPM (la Velocidad de corte permanece constante). La función ISO para programar directamente las RPM es G97, seguida del carácter S y el valor de dicha velocidad de giro expresada en revoluciones por minuto. Ejemplo de programación según norma ISO, para el giro de una pieza o una herramienta a una velocidad constante de giro de 1650 RPM. G97 S1650 La máquina fijará las RPM en 1650, manteniéndolas en todo momento si las condiciones lo permiten.

3.6.1.2.  Avance El movimiento de avance es el desplazamiento lineal de la herramienta en las diferentes direcciones, expresadas en mm/min (milímetros por minuto) o en mm/rev (milímetros por vuelta o revolución). Como podemos ver en la imagen siguiente, el movimiento de avance en torneado puede ser longitudinal, transversal o incluso una combinación de ambos, permitiendo así la realización de conos y arcos.

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3. Herramientas de corte

Figura 3.47.  Movimientos de avance longitudinal y transversal.

El avance es un factor clave para determinar la calidad del acabado y para asegurar que la formación de viruta esté dentro del campo de la geometría de corte. En fresado, el avance podemos expresarlo de tres modos diferentes, a saber: ■■ Avance por minuto [mm/min]: es la distancia recorrida por la herramienta por unidad de tiempo, por lo que también se le denomina avance de la mesa o avance de máquina. ■■ Avance por revolución [mm/rev]: es la distancia recorrida por la herramienta por vuelta dada, tratándose de un valor utilizado especialmente al realizar los cálculos relativos al avance o a la capacidad de acabado a la hora de planear. ■■ Avance por diente [mm/diente]: puede definirse como la distancia recorrida por la herramienta por cada diente implicado en el corte, o el avance realizado por la mesa entre el corte realizado por dos filos consecutivos. No debemos olvidar que las herramientas de fresado disponen de más de un filo de corte, por lo que la relación entre el número de filos de la herramienta escogida y el avance por vuelta es directa.

f = fz ⋅ nº de dientes ⋅ RPM

Donde: f

Avance en milímetros por minuto.

fz

Avance por diente, en milímetros por diente.

z

Número de dientes (filos, plaquitas) de la herramienta.

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Teoría de mecanizado

A continuación podemos ver una representación gráfica muy ilustrativa del fabricante Sandvik de lo que sucede durante el avance de una fresa con varios dientes –seis en este ejemplo-.

Dentro de los ejercicios a desarrollar por el alumno, podremos efectuar ejemplos de cálculos para determinar los datos de corte en función de la herramienta y el material a mecanizar elegidos.

Una velocidad de avance elevada provocará: ■■ Menos tiempos de mecanizado. ■■ Menos desgaste de la herramienta. ■■ Posible rotura de la herramienta. ■■ Rugosidad superficial deficiente, aunque esto no es relevante en operaciones de desbaste. Sin embargo, una velocidad de avance baja provocará: ■■ Buena rugosidad superficial, algo relevante en operaciones de acabado. ■■ Mayores tiempos de mecanizado, con incremento de los costes directos. ■■ El desgaste de la herramienta se incrementa. ■■ Viruta más larga.

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3. Herramientas de corte

3.6.1.3.  Profundidad de pasada Es el movimiento de la herramienta con el que se establece la profundidad de material que se elimina en cada una de las pasadas. Se representa habitualmente con la palabra ap. En la imagen siguiente podemos observar cuál es la profundidad de pasada en una operación de torneado longitudinal y transversal respectivamente.

Figura 3.48.  Profundidades de pasada en movimientos de avance longitudinal y transversal

En operaciones de torneado estándar, se entiende como profundidad de corte la mitad de la diferencia entre el diámetro previo a mecanizar y el obtenido tras la pasada, expresada en milímetros (en la figura puede verse una pasada de desbaste en la que se aprecia claramente la profundidad de pasada que se le ha imprimido a la herramienta).

Figura 3.49.  Pasada de desbaste en torneado, con una generosa profundidad de corte. Fuente: SANDVIK COROMANT.

En fresadora, la profundidad de corte consiste igualmente en los milímetros que penetra la herramienta en la pieza durante el mecanizado.

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Teoría de mecanizado

CONTROL DEL AVANCE Y LA PROFUNDIDAD En los tornos, los movimientos de avance y profundización se logran mediante los carros. En los tornos manuales, el desplazamiento lo efectúa el operario mediante un accionamiento manual o enclavando los modos automáticos, controlándose gracias a los tambores graduados de los carros.

Figura 3.50.  Tambor graduado.

Actualmente, los tornos disponen de unas regletas que permiten la visualización digital de las cotas, facilitando enormemente la lectura y precisión de los datos si lo comparamos con los nonios de los tambores graduados. En los tornos CNC no se precisan estos tambores para el control de los carros, ya que como sabemos los movimientos se consiguen mediante programación.

Figura 3.51.  Pantalla digital de visualización de cotas.

En las fresadoras manuales, el desplazamiento lo efectúa igualmente el operario mediante un accionamiento manual o enclavando los modos automáticos, controlándose gracias a tambores graduados. Las fresadoras CNC no precisan de estos tambores, ya que los movimientos se consiguen mediante programación.

La presencia de una pantalla no debe hacer que confundamos un torno dotado de pantalla digitalizadora con un torno gobernado mediante CNC. La pantalla digitalizadora sólo permite la lectura de los desplazamientos de los carros, pero no la programación de los mismos.

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3. Herramientas de corte

La forma y el tamaño de la plaquita influyen significativamente en la profundidad de corte.

De este modo, una plaquita rómbica de desbaste para torneado de 11 mm de filo, solo podrá efectuar una pasada de las 2/3 partes de dicha longitud (es decir, unos 7 mm). Y eso considerando que se den condiciones favorables para dicha pasada, nada despreciable. El ángulo de posición, que dependerá del portaherramientas que sujete la plaquita de corte, también influye en la profundidad de pasada admisible.

3.6.1.4.  Ancho de pasada El ancho de corte es el ancho de la pasada de la fresa durante el mecanizado de la pieza. Se representa habitualmente con la palabra ae. En realidad se trata de la anchura radial de la fresa en contacto con el corte -empañe-, ya que una fresa no mecaniza con un ancho de pasada equivalente al ancho de ésta.

En operaciones típicas de planeado de piezas, donde se efectúan varias pasadas paralelas, suele recomendarse un ancho de pasada del 75% del diámetro de la herramienta. Así, un plato de diámetro 100 mm, mecanizará con pasadas paralelas separadas entre sí 75 mm.

No tienen sentido en operaciones de torneado. En la imagen inferior del fabricante Sandvik, vemos una representación de la profundidad de pasada ap y el ancho de pasada ae en una operación estándar de fresado.

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Teoría de mecanizado

3.6.2.  Otros parámetros de corte a considerar Ante todo, debe quedar claro que todos los parámetros que indicaremos a continuación son resultado de la interacción de los anteriores, y resultan especialmente importantes en determinados aspectos.

3.6.2.1.  Espesor y sección de la viruta En torneado, el espesor o grosor de viruta es medido a través del filo de corte, perpendicular al corte y a lo largo del eje principal. El grosor de la viruta –identificado habitualmente como hex- es igual al avance por vuelta o fn, en el caso de que se utilice un portaherramientas con ángulo de posición kr= 90°. En cambio, si se utiliza un ángulo de posición más pequeño, hex se reduce.

¿Y en operaciones de fresado? En operaciones de fresado, un buen control del espesor máximo de la viruta es el parámetro más eficaz para un fresado fiable y productivo. La generación de virutas delgadas es sinónimo de baja productividad, aunque un valor superior al espesor máximo sobrecargará el filo, llegando a provocar la rotura.

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3. Herramientas de corte

Como es lógico, el filo de la herramienta podrá soportar una sección de viruta máxima arrancada. Viendo la relación, podemos comprobar que si se aumenta la profundidad de corte, habrá que disminuir el avance de la herramienta, y viceversa. Un aumento de ambos parámetros implicará una sección de viruta demasiado elevada, provocando la rotura del filo. Cuanto menor sea el espesor de viruta, menor será también la carga del filo, lo que permitirá aplicar mayor velocidad de avance por diente sin daños. A cambio se reducirá la profundidad de corte. Eso es lo que sucede con los platos de planear con ángulos de posición de 45º.

La forma de la viruta varía con el método de fresado escogido y con la posición de la fresa, y varía a lo largo del recorrido del filo. Para plaquitas con ángulo de posición de 90°, el espesor de viruta es igual al avance por diente fz. Pero el espesor de viruta va disminuyendo a medida que lo hace el ángulo de posición, pudiendo como ventaja incrementarse el avance. Si nos fijamos en la figura, podemos comprobar que tomando un ángulo de posición 45º, como caso extremo, la viruta resulta más fina: como puede observarse en la figura, la viruta queda distribuida sobre un filo efectivo de mayor longitud; por tanto la ventaja radicará en que gracias a la menor carga sobre el filo se puede programar un mayor avance por diente, a cambio de una menor profundidad de pasada.

Figura 3.52.  Espesor de la viruta hx en función del ángulo de posición (45º figura de la izquierda, 90º figura de la derecha).

El espesor de viruta se calculará de la siguiente forma:

Espesor de viruta = hx = fz ⋅ sen k

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Teoría de mecanizado

En las fresas con ángulo de posición de 45º, observamos cómo el avance por diente fz, es un 40% más que el espesor de viruta (1.41 es el resultado de dividir 1 entre el seno de 45º, que es 0.707)... fz = 1.41 x hx Por ello, una profundidad de corte reducida se ve compensada por un avance muy elevado.

En cuanto al concepto de sección de viruta, directamente relacionado con el anterior, representa la sección de material que está siendo arrancada por un diente, y se expresa en mm2. Para calcularla, ha de multiplicarse el espesor de corte por la anchura de corte.

S = hx ⋅ p

Donde: S

Sección de viruta, en mm2.

hx

Espesor de la viruta, en mm. Recuérdese que hx= fz ⋅ sen k

p

Ancho del corte, en mm. Cuando la plaquita posee un ángulo de posición de 90º, el ancho del corte equivale a la profundidad de pasada ap.

Figura 3.53.  Parámetros para la sección de viruta.

La sección de viruta depende de diversos factores, como la potencia de la máquina, el amarre de la pieza y de la herramienta, y también del sistema de sujeción y la geometría de las plaquitas de corte. Un incremento de la sección y espesor de viruta implica un aumento de la potencia de máquina necesaria.

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3. Herramientas de corte

3.6.2.2.  Radio de punta de la herramienta En torneado, la elección de un determinado radio de punta dependerá de: ■■ Profundidad de corte ap. ■■ Avance fn. E influye sobre: ■■ Acabado superficial. ■■ Rotura adecuada de la viruta. ■■ Resistencia de la plaquita. La selección de un radio de punta pequeño ofrece las siguientes características: ■■ Adecuado cuando las profundidades de corte son reducidas. ■■ Reducción de las vibraciones. ■■ Mejor rotura de la viruta. ■■ Menor resistencia de la plaquita. La selección de un radio de punta grande ofrece las siguientes características: ■■ Profundidad de corte amplia. ■■ Filo de mayor resistencia. ■■ Incremento de fuerzas radiales. Ya hemos comentando anteriormente que se considera una profundización y un avance máximos –recomendados por el fabricante-, pero igualmente no hemos de olvidar que también existen unos valores mínimos.

Como regla empírica, la profundidad de corte no ha de ser inferior a 2/3 del radio de punta de la plaquita, ni el avance inferior a 1/2 del radio de punta.

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Teoría de mecanizado

Anexo. El acabado superficial y el radio de punta ¿Qué es la rugosidad superficial? Primeramente definiremos una serie de conceptos fundamentales para plantear de manera adecuada una operación de acabado en el mecanizado. En la industria actual, los requisitos sobre los acabados de las superficies –es decir, la rugosidad superficialson realmente exigentes. Entenderemos la rugosidad superficial como el conjunto de las irregularidades superficiales –de paso relativamente pequeño-, correspondiente a las huellas dejadas en la superficie real por el procedimiento de fabricación u otras influencias. La rugosidad media (Ra), es la media aritmética de los valores absolutos de las diferencias de las crestas y fondos del perfil a la línea media, tomadas a lo largo de una longitud básica. Se suele tomar una longitud básica de 2.5 mm. Es el método adoptado internacionalmente para la determinación de la rugosidad, y se expresa en micras (milésimas de milímetro).

Figura 3.54.  Representación de la rugosidad media Ra, sobre el perfil efectivo. Fuente: CUETO, 2007.

La rugosidad máxima (Rt) es la altura que hay desde la línea de fondos, a la envolvente en una longitud básica. Se expresa en micras (milésimas de milímetro). La rugosidad Ra puede indicarse por su valor normalizado, o por su número de clase. En el plano de una pieza, puede venir especificada de cualquiera de las dos formas. En la tabla inferior podemos ver las equivalencias (según DIN 4769).

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3. Herramientas de corte

Ra [µ m]

Nº de grado de rugosidad

50

N12

25

N11

12,5

N10

6,3

N9

3,2

N8

↑

1,6

N7

0,8

N6

Rugosidad aumenta

0,4

N5

0,2

N4

0,1

N3

0,05

N2

0,025

N1

Figura 3.55.  Tabla de equivalencia para rugosidades superficiales.

A efectos de referencia, se pueden establecer los siguientes grados de apreciación visual y al tacto: ■■ N9-N10: las marcas de mecanizado se aprecian con la vista y con el tacto. ■■ N7-N8: las marcas de mecanizado se aprecian con la vista pero no con el tacto. ■■ N5-N6: las marcas de mecanizado no se aprecian ni con la vista ni con el tacto. ■■ N1-N4: la superficie es tipo espejo. En la tabla siguiente podemos observar las calidades que pueden lograrse mediante los diferentes métodos de mecanización y fabricación. Proceso

Acabado de la superficie (µ m)

Fundición en arena

Pobre

N10-N12

Laminado en frío

Bueno

N6-N8

Extrasión en frío

Bueno

N6-N9

Taladro

Mediano

N7-N9

Fresado

Bueno

N7-N9

Torneado

Bueno

N6-N9

Excelente

N3-N5

Pulido

Para determinar el grado de acabado de una superficie se utilizan actualmente los aparatos denominados rugosímetros, que efectúan la medición de los acabados superficiales por procedimientos ópticos, neumáticos y electromecánicos. El palpador del rugosímetro sigue el perfil real, y el transductor convierte los desplazamientos físicos en señales eléctricas, que tras ser procesadas proporcionan el perfil efectivo y otros parámetros de acabado superficial.

227

Teoría de mecanizado

Figura 3.56.  Sonda rugosímetro con palpador de diamante. Fuente: RENISHAW

Para más información sobre rugosidad superficial, consultar las siguientes normativas: ■■ UNE 82301:1986. Rugosidad superficial. Parámetros, sus valores y las reglas generales para la determinación de las especificaciones (ISO 468: 1982). ■■ UNE-EN ISO 4287:1998 Especificación geométrica de productos (GPS). Calidad superficial: Método del perfil. Términos, definiciones y parámetros del estado superficial (ISO 4287:1997). ■■ UNE 1037:1983. Indicaciones de los estados superficiales en los dibujos (ISO 1302: 1978).

Rugosidad superficial en torneado En torneado, el radio de punta y la velocidad de avance fn influyen directamente en el acabado superficial. Démonos cuenta que a efectos prácticos, al realizar una pasada de torneado de acabado, estamos efectuando un roscado, aunque la distancia entre hilo e hilo de esa rosca sea realmente pequeño –se ha generado una rosca sobre la superficie de la pieza con un paso extremadamente fino, donde el avance por revolución correspondería al paso de dicha rosca-. A continuación podemos ver la fórmula que determina dicho acabado.

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3. Herramientas de corte

R max =

fn2 ⋅ 1000 8 ⋅ rε

Figura 3.57.  Cálculo de valores de Ra según modelo de Pamies.

Donde: fn

Avance por revolución, rε es el radio de punta de la plaquita y Rmáx es la rugosidad máxima.

A su vez, aun sin ser totalmente exacta, podríamos indicar esta sencilla correspondencia para determinar el valor de la rugosidad media:

Ra ≅

R max 4

También puede expresarse de este otro modo:

Ra =

fn2 32rε

Además, aunque no son los únicos que influyen en este particular, combinar adecuadamente los dos parámetros comentados también ayuda a lograr un control adecuado de la viruta. Una viruta larga, por ejemplo, tenderá a enrollarse en la pieza y afectará al filo y a la calidad superficial de la pieza.

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Teoría de mecanizado

Dentro de los ejercicios a desarrollar por el alumno, podremos efectuar ejemplos de cálculos para determinar los datos de corte necesarios para lograr un acabado superficial concreto.

Rugosidad superficial en fresado En cuanto a las operaciones de fresado, el control de la rugosidad es más complejo, y existen diferentes modelos para efectuar una predicción. La fórmula anterior podía servir para predecir la rugosidad con herramientas monofilo, como las de torneado. A modo de ejemplo, a continuación exponemos el método de M.E.Martellotti, donde ya se considera el número de filos de la herramienta, y que es la base de posteriores modelos que han ido apareciendo. El modelo es válido para herramientas con la misma distancia entre filos.

Rmax =

fz 2  f ⋅z 8 r ± z  π  

Donde: Rmax

Rugosidad máxima, z es el número de dientes o filos, fz es el avance en mm/diente y r es el radio de la herramienta.

En el denominador de la ecuación, el signo positivo se aplicará cuando se frese por el método convencional (también denominado “hacia arriba” o “a la contra”), mientras que el signo negativo se aplicará cuando el fresado sea en concordancia (también denominado “hacia abajo” o “a favor”).

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3. Herramientas de corte

Figura 3.58.  Fresado hacia abajo (izquierda) y fresado hacia arriba (derecha). Fuente GIMA SPA.

Como estudiaremos en la unidad sobre fresado, en el fresado hacia abajo, la dirección del avance de la pieza es la misma que la de rotación de la fresa. El espesor de la viruta va disminuyendo desde el inicio del corte hasta alcanzar espesor cero a la salida del corte. En el fresado hacia arriba, la dirección del avance de la pieza es opuesta a la de rotación de la fresa. El espesor de la viruta es cero al inicio del corte y va aumentando progresivamente hasta alcanzar el final del corte.

En cualquier caso, hemos de recordar que mediante la ecuación se predice la rugosidad ideal, resultado como vemos de la herramienta y la velocidad de avance. Sin embargo, en la rugosidad final se verán implicadas diferentes irregularidades durante el proceso de mecanizado (defectos en la estructura del material, daños y desgaste de la herramienta, vibraciones, etc), que por supuesto también determinarán el valor real de la rugosidad obtenida.

231

Teoría de mecanizado

Mecanizado mediante abrasivos Cuando la calidad superficial requerida en parte de una pieza supera la capacidad de acabado de una herramienta de arranque de viruta (el límite en torneado y fresado suele considerarse una calidad N6), se recurre a las técnicas de mecanizado mediante abrasivos. El proceso más utilizado es el rectificado, un procedimiento basado en la acción cortante de unas herramientas abrasivas conocidas como muelas. No poseen un filo de corte determinado, estando formadas por los materiales abrasivos propiamente dichos y un material aglutinante (pueden observarse los granos constitutivos a simple vista). Estas partículas van desprendiéndose de la muela por el roce y la acción de la fuerza centrífuga, lo que nos recuerda que debe prestarse una especial importancia a evitar un desgaste irregular de las mismas. Aunque los abrasivos pueden ser de diferente naturaleza y cada uno presenta sus propias particularidades, todos se caracterizan por poseer una considerable dureza y resistencia al calor. Figura 3.59.  Rectificadora. Fuente: DOIMAK.

Es necesario dejar un sobremetal de unas pocas décimas en los procesos de fresado y torneado previos, para el posterior rectificado de dichas piezas. Existen máquinas rectificadoras que trabajan sobre cuerpos de revolución, es decir, como si se tratase de un torno (rectificadoras cilíndricas) y máquinas que trabajan sobre cuerpos prismáticos de forma similar a los procesos de fresado (rectificadoras planas). Existen además variantes de este tipo de máquinas, como rectificadoras de roscas, rectificadoras de perfiles, rectificadoras de arrastre, afiladoras de herramientas, etc. En cuantos a los materiales abrasivos, se diferencian en función de su naturaleza. ■■ Materiales abrasivos naturales. ■■ Materiales abrasivos artificiales. Los materiales abrasivos naturales apenas poseen aplicación industrial para las áreas de mecanizado, a excepción del diamante. Entre los primeros encontramos materiales como el cuarzo y el corindón. Los materiales abrasivos artificiales, por el contrario, son lo de aplicación más frecuente.

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3. Herramientas de corte

Entre ellos destacaremos el corindón artificial (formado por alúmina y óxido de aluminio, y obtenido de la bauxita), el carburo de silicio (más duro, de carbono y silicio y obtenido por fusión arena de cuarzo, coque, serrín y sal), el diamante artificial y el nitruro de boro, también empleados para la fabricación de plaquitas de corte intercambiables. Por otro lado, el material aglutinante sirve como adhesivo para las partículas abrasivas, y pueden encontrarse de goma, resina, silicatos o vitrificados (éste último, de naturaleza cerámica, es el más común al resultar insensible al frío y la humedad).

3.6.2.3.  Paso de la herramienta en fresas El número de filos o de plaquitas que posea una fresa afecta directamente al resultado del mecanizado. Lógicamente, en función del número de filos la fresa poseerá un mayor o menor paso – distancia entre dos filos consecutivos-, un factor que afecta a la siempre problemática evacuación de viruta.

Figura 3.60.  Fresas de idéntico diámetro y con diferente paso. Fuente: SANDVIK COROMANT.

En general, podrían establecerse la siguiente regla:

Fresas de paso grande o fresa con pocos filos Cuando la herramienta posee pocos filos (para lo que es su diámetro), la distancia entre los mismos o paso es grande, motivo por el cual se denominan fresas de paso grande. Lógicamente queda más espacio para la viruta, permitiendo así un fácil control de la viruta. Eso es especialmente importante con materiales que generan virutas largas. El consumo de potencia es menor, ya que es directamente proporcional al número de filos. Por tanto es una solución para las fresadoras de poca potencia. Entre las desventajas, destacar que el avance es menor. Recordemos que los fabricantes de herramientas indican en sus catálogos el avance por diente. Como ya vimos en la unidad 3, para obtener el avance en milímetros/minuto, hay que multiplicar dicho dato por el número de dientes y las RPM de giro de la herramienta.

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Teoría de mecanizado

f = fz ⋅ nº de dientes ⋅ RPM

Donde: f

Avance en milímetros por minuto.

fz

Avance por diente, en milímetros por diente.

z

Número de dientes (filos, plaquitas)

Vemos un ejemplo práctico...

Si el avance por diente de una fresa fuese de 0.1 mm/diente, poseyese dos labios y debiese girar a 1000 RPM, el cálculo para el avance en mm/minuto sería el siguiente: 0.1 x 2 x 1000 = 200 mm/minuto Sin embargo, una fresa similar del mismo fabricante (al tener la misma Vc, girará a las mismas RPM) pero que posea 3 labios, verá incrementado su avance: 0.1 x 3 x 1000 = 300 mm/minuto

Además, como otra desventaja, destacar que las herramientas enterizas suelen poseer menor rigidez, y que el acabado superficial es peor que con fresas de más filos. Como conclusión, podemos ver que en operaciones o con materiales donde haya problemas de evacuación de viruta (por ejemplo, mecanizado de una cajera profunda en aluminio) se hace imprescindible utilizar una fresa de pocos filos, incluso aunque la máquina tuviese potencia suficiente. También se utilizan en ranurados profundos, donde la evacuación de viruta siempre es un problema. Las operaciones inestables o una potencia insuficiente también podrían ser motivo de utilización. Al haber suficiente espacio entre filos, se trata siempre de una elección idónea para el mecanizado de materiales no férreos que generan virutas largas, como por ejemplo el aluminio.

Fresa de paso pequeño o fresas con muchos filos Cuando la herramienta posee numerosos filos, la distancia entre los mismos o paso es pequeña, por lo que se denominan fresas de paso pequeño o de paso reducido. Al estar los filos más próximos entre sí, queda menos espacio para la viruta. Eso hace que sólo puedan emplearse con materiales donde el control de la viruta no sea problemático, como por ejemplo fundición gris.

234

3. Herramientas de corte

También puede utilizarse en aceros si la profundidad de corte es pequeña y con metales donde deba utilizarse una Vc baja, como por ejemplo aleaciones de titanio. Es importante que siempre haya más de un filo en contacto con la pieza. Como puede deducirse de lo comentando antes, estas fresas poseen más rigidez y permiten un avance rápido, a costa de un mayor consumo de potencia. No obstante, es una opción interesante para opciones de acabado, al estar mayor numero de filos implicados en el corte tras cada revolución de la herramienta si no se incrementan los avances y por la mejor distribución de las cargas sobre cada diente. Por ello se utilizan en contorneados y fresados laterales (escuadrados), así como ranurados siempre que sean poco profundos.

Fresa de paso normal Se trata de una solución intermedia: el número de filos de la herramienta no es excesivamente elevado ni reducido, para lo que es el diámetro de la fresa en cuestión. Son las herramientas utilizadas cuando las condiciones de trabajo son estables y se requiera una buena productividad. Por ello se utiliza como opción por defecto en el mecanizado de aceros, aceros inoxidables y superaleaciones termorresistentes.

Como ya se comentó en una unidad anterior, actualmente se emplean las fresas de paso diferencial, cuyos filos se hallan separados distancias diferentes (el paso ya no es equidistante). Al romperse la vibración armónica se reduce la generación de vibraciones, aumentando la estabilidad del mecanizado. Precisamente una solución para los problemas de vibración es utilizar una fresa de paso grande y con ángulos de incidencia positivos, o preferiblemente utilizar fresas de paso diferencial.

3.6.2.4.  Volumen de viruta arrancado En operaciones de fresado, el volumen de viruta arrancado por unidad de tiempo se calcula multiplicando la profundidad de corte, el ancho del mecanizado y la distancia recorrida (alto x ancho x largo), siempre por unidad de tiempo. Se mide en cm3/min, y es determinante para el cálculo de la potencia de la máquina y de la vida útil de las herramientas de corte.

Q=

ae · ap · f 1000

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Teoría de mecanizado

Donde: Q

Caudal de viruta, en centímetros cúbicos por minuto (cm3/min).

ae

Ancho de la pasada, en milímetros.

ap

Profundidad de la pasada, en milímetros.

f

Avance, en milímetros por minuto.

3.6.2.5.  Potencia de corte La potencia de corte o Pc se define como la potencia necesaria para efectuar el mecanizado de una determinada operación. No debemos confundirla con la potencia de la propia máquina-herramienta, sino para la operación de mecanizado en concreto que se plantea realizar. A continuación podemos ver la fórmula válida para fresado:

Pc =

a p ⋅ a e ⋅ v f ⋅k c ηmt ⋅ 60 ⋅ 10 6

El resultado se expresa en kilovatios (Kw), y se calcula a partir del valor del ancho y la profundidad de la pasada, la velocidad de corte, la fuerza específica de corte Kc y del rendimiento de la fresadora utilizada. Esta fuerza específica de corte (Kc) se determina según el material mecanizado, la geometría de la herramienta, el espesor de viruta, etc. Se expresa en N/mm2, y puede definirse como la fuerza Fc en el sentido del corte que es necesaria para cortar un área de viruta de 1 mm² con un espesor de 1 mm. Como puede deducirse, se halla directamente relacionada con el grosor de la viruta arrancada. Podemos verlo representado en la siguiente imagen.

Figura 3.61.  Dirección de la fuerza de corte. Fuente: SANDVIK.

Algunos de los más reputados fabricantes de herramientas incluyen en sus publicaciones estos datos.

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3. Herramientas de corte

Por otra parte, el rendimiento de la máquina (ηmt) es un valor adimensional, relacionado con la potencia de corte efectiva, es decir, la potencia necesaria en la herramienta; respecto a la potencia consumida el motor de accionamiento principal de la máquina.

Dentro de los ejercicios a desarrollar por el alumno, se trabajará con aspectos relacionados con la potencia de corte.

No obstante, ha de reseñarse que existen diferentes limitaciones que pueden obligarnos a reducir la potencia del mecanizado a realizar. A modo de ejemplo, una sujeción deficiente de la pieza o un desbastado previo que haya generado zonas de paredes muy delgadas –con la correspondiente falta de rigidez -, hará que debamos reducir la potencia porque probablemente la pieza o el útil no soportarán los esfuerzos.

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3. Herramientas de corte

RESUMEN ■ ■

Se ha efectuado una clasificación de las herramientas en función de dos aspectos: la geometría de la herramienta y el material de fabricación de la misma. Las herramientas de corte para el mecanizado mediante arranque de viruta poseen una serie de ángulos, que las hace características de una operación o un material trabajado en concreto.

■

Actualmente existen diferentes materiales de los que puede estar fabricada una herramienta de corte –fundamentalmente acero rápido, metal duro, cermet, cerámica, nitruro de boro o diamante sintético-.

■

El material de fabricación de la pieza mecanizada, supone igualmente un parámetro clave a la hora de determinar el proceso de mecanizado, la herramienta de corte y los datos de corte.

■

Los fallos y el desgaste progresivo de la herramienta durante el mecanizado son aspectos claves a controlar para lograr un mecanizado eficiente.

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4 UNIDAD DIDÁCTICA

4

Teoría de mecanizado

4.  Operaciones de mecanizado en el torno

4. Operaciones de mecanizado en el torno

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 245 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 246 4.1.  Operaciones básicas de torneado ..................................................................................................................... 247 4.1.1.  El cilindrado........................................................................................................................................................ 248 4.1.2.  El refrentado....................................................................................................................................................... 250 4.1.3.  El copiado.......................................................................................................................................................... 252 4.1.4.  El mandrinado.................................................................................................................................................... 254 4.2.  El ranurado y el tronzado.................................................................................................................................... 259 4.2.1.  El ranurado transversal......................................................................................................................................... 259 4.2.2.  El ranurado frontal............................................................................................................................................... 260 4.2.3.  El tronzado......................................................................................................................................................... 261 4.2.4.  El torneado......................................................................................................................................................... 263 4.3.  El roscado en el torno......................................................................................................................................... 266 4.3.1.  Generalidades de las roscas.................................................................................................................................. 266 4.3.2.  Procesos de fabricación de las roscas.................................................................................................................... 271 4.3.3.  El torneado de roscas.......................................................................................................................................... 274 4.4.  El moleteado........................................................................................................................................................ 283 4.5.  El punteado y el taladrado.................................................................................................................................. 285 4.5.1.  La operación de centrado..................................................................................................................................... 285 4.5.2.  La operación de taladrado y otras afines................................................................................................................. 287 4.6.  Tiempos de mecanizado..................................................................................................................................... 288 4.6.1.  Tiempos de mecanizado en el cilindrado................................................................................................................. 288 4.6.2.  Tiempos de mecanizado en el refrentado................................................................................................................ 289 4.6.3.  Tiempos de mecanizado en el roscado en torno...................................................................................................... 291

RESUMEN................................................................................................................................................................... 293

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

OBJETIVOS ■ ■ ■ ■

Conocer las principales operaciones de torneado genérico, para desbaste y acabado de cuerpos de revolución. Conocer las operaciones de torneado concretas de ranurado, tronzado, roscado, moleteado y taladrado. Asociar dichas operaciones a las herramientas y datos de corte oportunos. Habituarse al léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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Teoría de mecanizado

INTRODUCCIÓN

Después de haber analizado convenientemente los diferentes tipos de máquinas y de herramientas existentes, con los correspondientes parámetros de corte, en esta unidad nos centraremos en el conocimiento de los diferentes procesos de mecanizado realizables en un torno. Junto con el fresado, se trata del proceso de mecanizado por arranque de viruta más ampliamente utilizado. Además de las operaciones típicas de desbaste y acabado, la ejecución de una pieza en torno suele incluir una serie de procesos adicionales como taladrado, roscado, moleteado, etc... que también pueden realizarse sobre la misma máquina.

246

Por tanto, a lo largo de este unidad, se explicarán técnicas exclusivas de torneado y también otras operaciones de mecanizado que podrían realizarse sobre otra máquina-herramienta diferente. Por último, y al igual que en las unidades temáticas anteriores, intentaremos acostumbrarnos al léxico identificativo de cada una de las operaciones, para desenvolvernos con la soltura suficiente en el complejo entorno del taller mecánico.

4. Operaciones de mecanizado en el torno

4.1.  Operaciones básicas de torneado Como ya sabemos, el torneado es una operación de mecanizado destinada fundamentalmente a la generación de formas cilíndricas con herramientas de un único punto de corte, dotadas de un determinado avance lineal y un giro de la pieza. Podríamos englobar las operaciones de mecanizado básicas entre las que se explicitan a continuación.

Recordemos que en tornos CNC dotados de cuarto eje y centros de torneado puede inmovilizarse la pieza y ser la propia herramienta la que posea el movimiento de rotación (para lo cual debe de disponer de una motorización propia). En tal caso, nos estaríamos enfrentando a operaciones de taladrado o fresado propiamente dichas, que ya no tendrían por qué realizarse forzosamente a lo largo del eje de revolución.

Figura 4.1.  Herramienta motorizada en torno-fresa. Fuente: DMG MORI.

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Teoría de mecanizado

4.1.1.  El cilindrado El cilindrado o torneado longitudinal puede definirse como una operación básica de mecanizado donde se efectúa una pasada con un direccionamiento paralelo al eje de revolución de la pieza.

Figura 4.2.  Pasada de cilindrado, con direccionamiento paralelo al eje de giro de la pieza. Observar la dirección indicada por la flecha.

Figura 4.3.  Pasada de cilindrado. Fuente: SECO TOOL.

Suele tratarse de pasadas de desbaste, aunque también podremos encontrarnos pasadas de cilindrado de acabado final (para darle diámetro, dimensiones y calidad superficial concretos a la parte torneada).

Podríamos poner como ejemplo típico para lo último comentado el mecanizado de un eje sencillo, donde el mecanizado se limitase a rebajar una barra cilíndrica de diámetro 100 mm a 80 mm, y posteriormente efectuar una pasada de acabado para dejarlo a 78.6 mm de diámetro. Si la máxima profundidad de pasada ap para la herramienta de desbaste fuese de 5 mm, deberíamos efectuar cuatro pasadas (téngase en cuenta que es una profundidad radial, no diametral). Otra herramienta de acabado se encargaría de rebajar de diámetro 80 a 78.6 mm, en una quinta y única pasada con ap de 0.7 mm. Pues bien, en ambas operaciones se está efectuando cilindrados, aunque en régimen de desbaste en las cuatro primeras pasadas y en régimen de acabado en la quinta pasada.

Suelen utilizarse ángulos de posición que oscilan entre los 45º y 95º. Recordemos los posibles posicionamientos de las plaquitas de corte, analizados desde el plano superior.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

κ = ángulo de posición. κ e = ángulo de posición efectivo. κ n = ángulo de corte libre. ε = ángulo de filo de corte. f1 = filo de corte primario. f2 = filo de corte secundario. Figura 4.4.  Ángulos de posición, plano horizontal.

El ángulo de posición afectará a la formación de viruta. Con un ángulo de posición de 90°, el grosor de la viruta es el mismo que el avance fn. Pero un ángulo reducido, de entre 45°y 75°, reduce el grosor de la viruta y permite incrementar el avance fn. Además se reduce el impacto y las fuerzas en la arista de corte. Por ello, la recomendación por defecto para operaciones exclusivas de cilindrado, es utilizar una plaquita cuadrada en un portaherramientas con un ángulo de posición de 75°. La desventaja de este posicionado de la plaquita, es que al finalizar la pasada de cilindrado deja una pared oblicua –no resulta vertical- que exige un posterior mecanizado con otra herramienta para solventarlo.

Figura 4.5.  Cilindrado con ángulo de posición de 75º y plaquita S. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Sin embargo, un portaherramientas que posicione una plaquita rómbica de 80º con un ángulo de posición de 95º ofrece mucha más versatilidad. Es la plaquita que se ha representado en las primeras imágenes de este apartado. Ese posicionado es muy utilizado al permitir tanto cilindrar, refrentar y realizar pasadas cónicas (si va ganando en diámetro al avanzar). No obstante, el escaso ángulo libre resultante –entre el filo secundario y la horizontal quedan solo 5º en este ejemplo-, imposibilita que puedan acceder a oquedades o realizar pasadas cónicas si va perdiendo en diámetro al avanzar, para lo cual necesitaríamos otras geometrías menos robustas pero más estilizadas.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.6.  Cilindrado con ángulo de posición de 95º y plaquita C. Fuente: SANDVIK COROMANT.

4.1.2.  El refrentado El refrentado consiste básicamente en el direccionado de la herramienta perpendicularmente al eje de revolución de la pieza. Igualmente suele considerarse pasada de desbaste, aunque podríamos encontrarnos pasadas de refrentado de acabado.

Figura 4.7.  Pasada de refrentado, con direccionamiento perFigura 4.8.  Pasada de refrentado. Fuente: SANDVIK COROpendicular al eje de giro de la pieza. Observar la MANT. dirección indicada por la flecha..

Nuevamente el ángulo de posición vuelve a ser un factor muy importante, al encontrarnos en el refrentado elevadas fuerzas de corte radiales, que pueden traducirse en una deformación de la pieza, vibraciones e incluso fallo en los amarres. Se recomienda utilizar un portaherramientas con una plaquita cuadrada y un ángulo de posición de 75°, aunque la desventaja principal radicará en que no podrá aprovecharse para operaciones diferentes (es diferente al utilizado para cilindrado, como podemos ver en la imagen).

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.9.  Refrentado con plaquita S. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Vuelve a ser una opción más versátil un portaherramientas con plaquita rómbica de 80° y un ángulo de posición de 95°, es decir, la misma elección que se había recomendado para el cilindrado cuando deseábamos versatilidad. Podemos comprobarlo en la dirección que marcan las flechas en la imagen siguiente.

Figura 4.10.  Refrentado con ángulo de posición de 95º y plaquita C. Posicionado válido también para cilindrado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

La singularidad del refrentado En el refrentado se produce una circunstancia particular, ya que la velocidad de corte en el filo de la herramienta va disminuyendo a medida que avanza hacia el centro, dificultando dicho avance. Recordemos que, según la fórmula de la velocidad de corte, para mantener constante dicha velocidad conforme se refrenta y la herramienta llega al centro (a diámetro cero), la pieza debería girar cada vez más deprisa. Como conclusión, a diámetro cero milímetros, las RPM deberían tender a infinito. En los tornos paralelos de accionamiento manual, la solución para incrementar esa velocidad de corte (y por tanto las RPM) conforme se refrenta, es sencillamente ir deteniendo el giro de la pieza por tramos y proceder al cambio de la relación de la caja Norton, escogiendo unas mayores RPM. Lamentablemente, como podemos ver, ello nos obliga a efectuar un paro de máquina y escoger unas RPM concretas, sin capacidad para ser aumentadas hasta forzar un nuevo paro. Para mejorar este aspecto muchos tornos modernos incorporan variadores de velocidad en el cabezal, de tal forma que se puede ir aumentando de manera constante la velocidad de giro de la pieza.

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Teoría de mecanizado

Ésta es la razón por la que en los controles numéricos se programa la velocidad de corte que se desea mantener constante mediante la función G96 (el CNC se encargará de aumentar las RPM conforme se refrenta y la herramienta se acerca a diámetro 0 mm), en lugar de especificar un numero de RPM fijos con la función G97.

4.1.3.  El copiado El copiado o perfilado puede definirse como una operación de torneado donde la dirección de avance cambia a lo largo del proceso de mecanizado, para el seguimiento de un perfil concreto. Es decir, la herramienta puede moverse longitudinal, transversalmente o de ambas maneras a la vez, para irse adaptando al perfil de la pieza. Como suele tratarse del perfil definitivo de la pieza, se asocia a una operación de semiacabados y acabados en casi todas las ocasiones.

Figura 4.11.  Pasada de copiado o perfilado. Observar la di- Figura 4.12.  Copiado o perfilado. Fuente: SANDVIK COROrección variable que indica por la flecha. MANT.

Dependiendo del perfil de la pieza, se precisará una plaquita de corte más estilizada que las utilizadas en cilindrados y refrentados. Esto adquiere una especial importancia en la realización de desahogos, donde la herramienta ha de penetrar oblicuamente (el diámetro de la pieza se reduce conforme avanza la herramienta), y para lo que se precisa una plaquita rómbica de 55º o 35º, con el suficiente ángulo libre. Una esbelta plaquita de 35º (tipo V) permitirá una mayor accesibilidad a zonas remotas que una de 55º (tipo D), pero obviamente resulta más débil.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.13.  Mecanizado de desahogo del cuello de la pieza.

Como puede verse en la imagen, el desahogo consiste en la eliminación de material en los entrantes. No olvidemos que en numerosas ocasiones se efectúan primeramente una serie de entradas para un desbastado previo, aunque finalmente se lleva a cabo la correspondiente pasada de acabado. Pero en cualquier caso, han de utilizarse herramientas rómbicas de 55º o 35º que tengan capacidad de penetrar en dichas oquedades (en lugar de las más robustas pero poco versátiles utilizadas para cilindrar). En la imagen podemos ver una plaquita de 55º en un portaherramientas con ángulo de posición de 93º.

Figura 4.14.  Copiado con ángulo de posición de 93º y plaquita D. Fuente: SANDVIK COROMANT.

En este caso, el ángulo de penetración máximo admisible es de 30º, ya que aunque el ángulo libre es de 32º, han de asegurarse como mínimo 2º para salida de la viruta y evitar el roce del filo secundario con la pieza. Para exigencias de acabados muy exigentes o dificultades por la longitud o la evacuación de la viruta, es muy recomendable dejar algunos grados más.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.15.  Angulo mínimo para penetraciones oblicuas Fuente: SANDVIK COROMANT.

4.1.4.  El mandrinado Se entiende como operación de mandrinado el mecanizado de interiores. Solo puede realizarse en piezas que posean un agujero previo (piezas con oquedad previa de fundición o tubos, o taladrando previamente) que permita la introducción de la herramienta de mandrinar.

Figura 4.16.  Operación de mandrinado longitudinal.

El mandrinado en el torno tiene como finalidad alguna o algunas de los siguientes objetivos: ■■ El recrecimiento del diámetro agujero previo. ■■ La generación de un perfil interior complejo, partiendo del agujero previo. ■■ La obtención de unas tolerancias de ajuste muy precisas.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.17.  Ejemplo de mandrinado longitudinal. Fuente: SANDVIK COROMANT.

En realidad, dentro del mandrinado podemos encontrar tanto operaciones de desbaste como de acabado, y se puede mandrinar tanto en pasadas longitudinales de cilindrando exclusivamente como copiando un perfil complejo. La siguiente imagen del fabricante SANDVIK COROMANT resume de manera perfecta esta circunstancia: allí podemos ver un portaherramientas con una plaquita triangular efectuando una pasada puramente longitudinal (1), así como un portaherramientas con una plaquita rómbica de 55º (2) más estilizada, que permite efectuar entradas y salidas hasta generar el perfil complejo que se desea.

Figura 4.18.  Mandrinado cilindrando y copiando. Fuente: SANDVIK COROMANT.

El mandrinado longitudinal A efectos prácticos se trata de una operación de cilindrado interior. Tratándose por lo general de operaciones de desbaste, se precisa que el portaherramientas posea un mango robusto y que su voladizo sea lo más corto posible.

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Teoría de mecanizado

Sin embargo, si el agujero de partida es de poco diámetro lamentablemente forzará la elección de un mango poco grueso; si el agujero es muy largo, forzará que el voladizo sea más largo de lo deseable. Ello conlleva consecuencias negativas sobre la flexión de la herramienta y la vibración. Al contrario que en el mecanizado exterior, se recomienda por defecto la elección de un ángulo de posición superior a 90º: un ángulo de posición grande reduce las fuerzas que se produce en dirección radial, minimizándose así la tendencia a la torsión y la flexión (y viceversa). Por tanto una plaquita rómbica de 80º con un ángulo de posición de 95º será una buena elección.

Figura 4.19.  Distribución de las fuerzas de corte Fc según ángulo de posición.

También se recomiendan las plaquitas sujetadas mediante tornillo y una geometría positiva. El radio de la punta de la plaquita ha de ser pequeño, por ejemplo 0.4 ó 0.8 mm, ya que los radios grandes aumentan las vibraciones. La utilización de herramientas con suministro interior canalizado de fluido de corte o incluso aire a presión, hace que las virutas sean arrastradas fuera del agujero de forma efectiva. En cuanto a los datos de corte, en el mandrinado se mantiene la velocidad de corte (y con ello las RPM), pero se recomienda reducir el avance respecto al mecanizado exterior. También hay que asegurarse de que se imprime una profundidad de pasada mínima, ya que la elevada longitud de los mangos de los portaherramientas hace que el filo pueda tender a abandonar la zona del corte.

El mandrinado de perfiles Cuando se trata de efectuar una operación de copiado perfilado interior. Cara a la elección de la herramienta habría que tener en cuenta básicamente las mismas consideraciones que en el apartado anterior, aunque lógicamente para una mayor facilidad de acceso a las oquedades y perfiles complejos habría que pasar a utilizar plaquitas de 55º o 35º, manteniendo como mínimo un ángulo libre de 2° entre la pieza y el filo de la plaquita.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.20.  Acceso de una plaquita de 35º (tipo V) para la realización de perfiles complejos. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Las barras antivibratorias Para minimizar las vibraciones puede ser útil el uso de barras antivibratorias. Se trata de unos mandrinos con un mango de mayor longitud que los convencionales, con un sistema antivibratorio pre-amortiguado en su interior consistente en una masa pesada soportada por muelles de caucho, y donde se añade un aceite o fluido especial para aumentar el efecto antivibratorio. Como los movimientos del cuerpo no se hallan sincronizados con el movimiento oscilatorio que crea la máquina, el movimiento de vibración en el filo de corte es contrarrestado en lugar de intensificarse.

Figura 4.21.  Mandrino antivibratorio Silent Tools de Sandvik. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Como ya se comentó en líneas anteriores, donde quedaron reflejadas las operaciones básicas de torneado, todavía quedan una serie de operaciones concretas que pasamos a detallar. No obstante, ha de quedar claro que existen operaciones puntuales como el achaflanado, el redondeado, etc… que pueden realizarse con las mismas herramientas citadas u otras más específicas, pero que no son sino variantes de los métodos comentados.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

4.2.  El ranurado y el tronzado Como ya sabemos, tradicionalmente se ha entendido como ranurado la realización de una hendidura o canal largo y estrecho en un cuerpo sólido. También se suele asociar a una entrada de la herramienta perpendicular al eje de giro de la pieza. Podríamos adaptar la definición de ranurado como el mecanizado de unas ranuras cilíndricas en las piezas torneadas, con una anchura y profundidad concretas. No obstante, existen variantes sobre este concepto inicial que merece la pena que hagamos una clasificación por familias. Las agruparemos en cuatro grandes grupos: 1. Ranurado transversal. 2. Ranurado frontal. 3. Tronzado. 4. Torneado. Por supuesto, las operaciones de ranurado transversal puede ser exteriores o interiores.

4.2.1.  El ranurado transversal En la operación de ranurado transversal, también denominado ranurado radial, se produce una penetración de la herramienta perpendicularmente al eje de revolución de la pieza, sin llega a alcanzar éste. Lógicamente, efectuar las ranuras con una única penetración es el método más económico y productivo. Solo será aplicable con ranuras poco profundas, pero son los casos más comunes.

Figura 4.22.  Ranurado con un sólo corte. Fuente:SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Cuando no es posible la realización de la ranura mediante una única penetración, al ser la ranura muy profunda (se considera profunda cuando es superior al ancho de la plaquita), hay que recurrir a la realización de varias ranuras consecutivas. El proceso pasa a denominarse ranurado múltiple. Aunque la opción tradicional ha sido la realización de varias ranuras consecutivas, comenzando de derecha a izquierda o viceversa, mostraremos a continuación las recomendaciones que da el reputado fabricante Sandvik Coromant para una realización idónea del proceso.

Ranurado múltiple Es la opción a elegir para el mecanizado de ranuras profundas y anchas (profundidad superior al ancho). En la imagen del ejemplo podemos ver una propuesta para la realización mediante cinco penetraciones: cada uno de los números indica el orden de inserción.

Figura 4.23.  Ranurado múltiple. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Como puede verse se propone la realización de una serie de ranuras paralelas, (numeradas como 1, 2 y 3) cuyo ancho equivaldrá lógicamente al de la propia plaquita, dejando unas rodajas intermedias. En el ejemplo, el espacio físico existente precisaba de tres de estas entradas. Las rodajas intermedias que quedan (4 y 5) deben ser más estrechas que la plaquita. Finalmente, se procede a la eliminación de dichas rodajas.

4.2.2.  El ranurado frontal En la operación de ranurado frontal o axial, sin embargo, la penetración se produce paralela al eje de revolución de la pieza. Son ranuras por lo general de poca profundidad.

Figura 4.24.  Ranurado frontal. Fuente: ISCAR.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Los ranurados transversales son los más comunes, teniendo numerosas aplicaciones como la realización de alojamientos para juntas tóricas, para arandelas de presión y retenes, salidas de rosca, etc. Un ejemplo de ranurado transversal sería el realizado para salidas de roscas, mientras que un ranurado frontal sería un mecanizado típico de algunos discos de frenos.

4.2.3.  El tronzado En la operación de tronzado o corte de la pieza, se produce un movimiento rectilíneo de penetración en dirección al eje de revolución de la pieza, pero llegando hasta el mismo y terminar separando la pieza en dos partes definitivamente. Lógicamente se realiza cuando se finaliza el mecanizado de la pieza torneada y se desea separarla de la barra cilíndrica bruta. Se utilizan herramientas muy estrechas y con un voladizo lo menor posible, pero con la longitud suficiente para alcanzar el eje de giro y poder cortar así la pieza.

Figura 4.25.  Tronzado. Fuente: ISCAR.

Para el tronzado se ha recurrido habitualmente a las denominadas lamas, consistentes en unas láminas de acero afiladas en sus extremos (en el caso de cuchillas de acero rápido) o con un alojamiento en cada extremo para la inserción de las correspondientes plaquitas de metal duro. No admiten desplazamientos laterales (axiales), usándose solo para el tronzado.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.26.  Portaherramientas con lama de acero rápido. Fuente: HBM.

Figura 4.27.  Portalamas y lama. Fuente: SECO TOOLS.

Tal y como ocurre en el mandrinado, la evacuación de la viruta y el aseguramiento de la refrigeración son dos factores críticos. También son aplicables los conceptos vistos anteriormente para el refrentado sobre la inevitable variación de la Vc. Entre las particularidades del tronzado cabe destacar las siguientes: ■■ En el tronzado, es inevitable la formación de un pequeño “tetón” debido a que el material romperá antes de que el filo de la plaquita llegue a cortarlo. ■■ Se utilizará una herramienta con un ángulo de entrada situado a la derecha cuando el eje rota en la dirección de giro representada en el dibujo de la izquierda (figura 1). Por el contrario, se utilizará una herramienta con un ángulo de entrada a la izquierda cuando el eje rota en la dirección de giro representada en el dibujo de la derecha (figura 2): si la rotura se produce en el punto marcado en negro, el tetón quedará en el lado opuesto.

Figura 4.28.  Relación entre el sentido de giro de la pieza y el ángulo de posición de la plaquita.

■■ Cuando se elige la herramienta de tal forma que haga que el tetón quede en el material de trabajo que está en la máquina, puede eliminarse mediante la continuación del avance. Para reducir el tamaño de dicho tetón, el avance debe reducirse un 75% cuando la herramienta se acerca al centro.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

En cuanto a la elección de la herramienta, deben utilizarse una serie de pautas que podrían resumirse en los siguientes puntos: ■■ Debe procurarse utilizar plaquitas neutras para obtener tolerancias más ajustadas y mayor perpendicularidad, si es que puede aceptarse tetón o rebarbas. ■■ Debe utilizarse una anchura de la plaquita lo menor posible. ■■ Debe utilizarse un portaherramientas tan grande como sea posible. ■■ La longitud de operación no debe ser mayor de ocho veces el ancho de la plaquita. ■■ Debe utilizarse un radio de esquina pequeño, ya que reduce la carga en la plaquita y produce un menor tetón; sin embargo, un radio más grande permitirá mayores avances e incrementa la vida de la herramienta.

4.2.4.  El torneado Podemos preguntarnos por qué regresamos a un concepto visto ya anteriormente. En realidad, en tornos CNC y siempre con portaherramientas dotados de sujeción por brida de la plaquita (que soportan desplazamientos tanto axiales como radiales), pueden efectuarse operaciones de desbaste y acabado, como las que antes definimos como cilindrados y copiados. Muchas de estas máquinas ya poseen ciclos fijos programables que facilitan mucho las labores de programación.

Un ejemplo de aplicación de estos ciclos CNC sería el complejo torneado de las gargantas de las poleas, relativamente profundas y con flacos oblicuos, sin necesidad de adquirir herramientas especiales.

Cuando la ranura es más ancha que profunda, se recurre al torneado con avance axial (también conocido como torneado en zig-zag) o al torneado en rampa. Exigen la utilización de portaherramientas que sujeten la plaquita mediante brida o tornillo, para que soporten los desplazamientos axiales (no solo radiales). Los portaherramientas de sujeción elástica no son aptos porque la plaquita no es capaz de soportar los desplazamientos axiales, y se desprendería al avanzar de derecha a izquierda o viceversa.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.29.  Portaherramientas con sujeción por tornillo y cuña de apriete. Fuente: WALTER.

Figura 4.30.  Lama con sujeción elástica. Fuente: WALTER.

Mostraremos nuevamente las recomendaciones del fabricante Sandvik Coromant para su ejecución idónea.

Torneado con avance axial Es la opción a elegir para las ranuras más anchas y de menor profundidad. En la imagen siguiente podemos ver un portaherramientas de sujeción por tornillo, que efectuará unas trayectorias de cilindrado alternativas (en zig-zag).

Figura 4.31.  Torneado de ranuras con avance axial. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Torneado en rampa Es realidad se trata de una mejora de la opción anterior, al aprovecharse el desplazamiento axial (de izquierda a derecha en el dibujo) para ir ganando en profundidad. La ventaja estriba en que la suavidad de la rampa realizada, permite mantener la velocidad de avance en todo momento, sin necesidad de reducirla como sucedía con las penetraciones radiales.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.32.  Torneado y perfilado de ranuras en rampa. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Además posibilita un mejor control de la viruta y reduce las fuerzas de corte radial y el desgaste en entalla

¿Y en acabado?

No obstante, los dos procesos de torneado descritos son operaciones de desbaste, por lo que ha de efectuarse una operación de acabado. La demasía o creces que se dejan durante el desbaste (en color azul en la imagen), oscila entre 0.5 y 1 mm. Como puede verse en la imagen, se procede primeramente al mecanizado de una primera mitad (izquierda) y posteriormente de la segunda (derecha), ya que la plaquita nunca puede desplazarse hacia el exterior de la pieza; de esta forma, se garantiza que los movimientos radiales son siempre descendentes.

Figura 4.33.  Torneado de ranurado en acabado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

4.3.  El roscado en el torno Junto con el roscado con macho, el roscado de piezas de revolución en el torno ha sido uno de los procedimientos de mecanizado de roscas más utilizado y más desconocido a la vez para quien se enfrenta por primera vez al extenso mundo del mecanizado. Por ello, en las siguientes líneas comentaremos varios aspectos cuyo estudio consideramos realmente imprescindible.

4.3.1.  Generalidades de las roscas Una rosca puede definirse como una elaboración en forma de helicoide alrededor de un cuerpo cilíndrico o cónico, pudiéndose tratar de una rosca exterior (que llamaremos genéricamente tornillo) o una rosca interior (que llamaremos tuerca). Pasemos pues, a continuación, al estudio de una serie de parámetros cuya comprensión es fundamental antes de afrontar el torneado de una rosca.

Utilidad de una rosca Antes de nada, deberíamos dejar claro que las roscas pueden formar parte de una pieza por diferentes causas. En cualquier caso, podemos agruparlas en dos utilidades básicas para las mismas: ■■ Como unión desmontable de dos elementos, insertando una rosca macho (tornillo) en el interior de una rosca hembra (tuerca) a través de un movimiento circular. En roscas de precisión, se evita además el escape de fluidos, como por ejemplo en los extremos roscados de las tuberías destinadas a la conducción de agua, aceite, gas, etc. ■■ Como mecanismo de desplazamiento. Uno de los elementos posee un agujero roscado, a modo de tuerca, y se desplaza con cada giro del tornillo. Este mecanismo se denomina tornillo-tuerca, cuya utilidad pudimos ver en las primeras Unidades en los sistemas de transmisión de movimiento de los carros del torno.

Clasificación de las roscas Realmente, las roscas pueden ser clasificadas de múltiples maneras: citaremos en los siguientes párrafos los criterios de clasificación más comunes, por su interés. Según la dirección o desarrollo de dicho helicoide, las roscas pueden ser clasificadas de dos modos: ■■ Roscas a derechas: si roscásemos una tuerca en un tornillo, la primera avanzaría en el sentido de las agujas del reloj o, dicho de otro modo, este tipo de roscas se aprietan hacia la derecha. Son las más habituales.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

■■ Roscas a izquierdas: si roscásemos una tuerca en un tornillo, la primera avanzaría en la dirección contraria a las agujas del reloj o, dicho de otro modo, este tipo de roscas se aprietan hacia la izquierda. Aunque no son las más habituales, suelen utilizarse para fijar dos piezas que deban girar, ya que aunque el giro de las piezas hace que exista el riesgo de terminar aflojándose, una rosca a izquierdas tenderá siempre a apretarse. Una rosca puede clasificarse según el número de entradas, agrupándose en roscas de una única entrada o de varias entradas: ■■ Rosca de una entrada: normalmente, las roscas están construidas mediante un único helicoide, de tal modo que sólo existe un filete que rodea el cilindro. ■■ Rosca de varias entradas: en ocasiones se tallan varios helicoides sobre el mismo cilindro (roscas de dos entradas, tres entradas, etc). Como puede observarse en la figura, en las roscas de más de una entrada todos los helicoides implicados poseen el mismo paso, que debe ser lo suficientemente elevado como para permitir la presencia de los filetes pertenecientes al resto de los helicoides.

Figura 4.34.  Rosca de dos entradas.

Se utiliza más la rosca sencilla (de una única entrada), mientras que las roscas de varias entradas se reservan para mecanismos que ofrecen poca resistencia al movimiento y en los que se desee obtener un avance rápido con un número de vueltas mínimo, como por ejemplo mecanismos de apertura y cierre. El paso es precisamente otra forma de clasificar las roscas. Recordemos que el paso es la distancia que hay entre dos filetes consecutivos, o dicho de otro modo, la distancia entre diente y diente. ■■ Roscas de paso normal: como su nombre indica, el paso es el considerado normal para un determinado tipo y diámetro de rosca. Es la opción de aplicación por defecto, por tanto. ■■ Roscas de paso grueso: poseen un paso superior al normal, por lo que no tiene gran precisión entre la pieza macho y la pieza hembra. Se utilizan para trabajos normales que requieran una buena sujeción pero no precisión.

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Teoría de mecanizado

■■ Roscas de paso fino: generan una considerable firmeza en la unión, utilizándose profusamente en mecánica. Al ser la distancia entre dientes más pequeña de lo normal, también lo es la profundidad de cada diente. Las roscas pueden ser cilíndricas o cónicas. En este último caso se tallan sobre un tronco cónico y no un cilindro, y ayudan en roscas específicas para fluidos a asegurar la estanqueidad y evitar fugas. Lógicamente, la clasificación mediante la sección del hilo es una de las más interesantes debido al numeroso abanico de secciones existentes en función de la norma y su aplicación. Las roscas normalizadas más usuales son: ■■ Rosca métrica o rosca europea: rosca de perfil triangular, a 60º. Se trata del sistema métrico, aceptado internacionalmente. El paso o distancia entre dos hilos o filetes consecutivos se expresa en milímetros.

Figura 4.35.  Rosca métrica.

■■ Rosca UN (rosca unificada americana): rosca de perfil triangular a 60º y con el diámetro nominal expresado en pulgadas. En lugar de expresar el paso directamente en milímetros, se indica el número de hilos que entran por pulgada (1 pulgada = 25,3 mm). Las roscas finas (UNF) son ampliamente utilizadas en automoción.

Figura 4.36.  Rosca UN.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

■■ Rosca Whitworth (rosca inglesa): rosca de perfil triangular a 55º y con el diámetro nominal expresado en pulgadas. De amplio uso con anterioridad, va siendo sustituida por la rosca métrica.

No olvide la equivalencia entre la unidad de medida inglesa y del continente europeo, ya que le resultará necesario realizar la conversión de medida en más de una ocasión: 1 pulgada = 25,3 mm.

Figura 4.37.  Rosca Whitworth o rosca inglesa.

■■ Rosca gas y rosca Whitworth fina: rosca de perfil triangular para tuberías a 55º; puede mecanizarse como rosca cónica exterior, garantizando así en el apriete final la estanqueidad necesaria. Tradicionalmente se ha considerado este tipo de rosca como el estándar en conducciones de fluidos (aplicaciones neumáticas e hidráulicas). ■■ Rosca redonda: de perfil semicircular, este tipo de rosca posee unas excelentes propiedades mecánicas, pero en cambio su mecanización resulta especialmente costosa cuando no se fabrica por laminación. Utilizada en órganos de tracción ferroviarios, así como para casquillos de bombilla (rosca tipo Edison).

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Teoría de mecanizado

Figura 4.38.  Rosca redonda.

■■ Rosca trapezoidal: rosca de perfil trapezoidal, con un campo de aplicación centrado en la transmisión de movimientos; podemos encontrar la rosca ISO (a 30º) y la rosca ACME (a 29º). Como ya comentamos, uno de los ejemplos más típicos de aplicación que puede encontrarse para este tipo de rosca es el husillo de desplazamiento del carro de un torno.

Figura 4.39.  Rosca trapezoidal.

■■ Rosca en diente de sierra: por ejemplo, rosca tipo Buttress. Utilizada en casos con empujes axiales considerables y en un único sentido.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.40.  Rosca de dientes de sierra.

Como colofón, comentaremos que existen tipos de roscas específicos para aplicaciones concretas. Algunas aplicaciones son menos conocidas, como por ejemplo los perfiles de roscas para tubos de manillares de bicicletas, para microscopios, y un largo etcétera.

4.3.2.  Procesos de fabricación de las roscas Una rosca puede ser generada principalmente de cuatro diferentes modos, que especificaremos a continuación: 1. Mediante macho y terraja. 2. Mediante laminación en frío. 3. Mediante fresa de roscar. 4. Mediante torneado. Ampliamente conocido, el roscado mediante machos o terrajas se utiliza únicamente para el roscado de agujeros o ejes respectivamente de poco diámetro. Optaremos por dejarlo para la unidad de taladrado, al ser una operación más afín. No obstante, es posible el roscado en el torno utilizando machos o terrajas. Actualmente, en los tornos CNC dotados de cuarto eje, los machos y terrajas son una posibilidad más entre las numerosas herramientas motorizadas de las que se dispone.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.41.  Roscado manual mediante macho y volvedor. Fuente: POOLARIA.

El roscado por laminación, sin embargo, se emplea actualmente con los materiales en los que resulta factible su aplicación –por la economía que ofrece en las grandes series-. Se utilizan machos de laminación. Puede realizarse en piezas de diámetros relativamente grandes haciendo avanzar la pieza entre dos rodillos de laminación, o en agujeros de pequeño diámetro mediante machos específicos para laminación.

Figura 4.42.  Roscado de un eje mediante rodillos de laminación. Fuente: TORNIFUSO.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

El roscado mediante fresa de roscar se emplea en centros de mecanizado CNC preparados, ya que penetra mediante interpolación helicoidal. Resulta un procedimiento que presenta numerosas ventajas para la generación de roscas exteriores e interiores (dado que se trata de una operación de fresado, se tratará en la unidad correspondiente).

Figura 4.43.  Minifresa de roscar. Fuente: KOMET.

El torneado de roscas es el método que analizaremos justo a continuación, al tratarse de una operación especializada de torneado.

Figura 4.44.  Roscado exterior en torno. Fuente: WALTER.

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Teoría de mecanizado

4.3.3.  El torneado de roscas El principio de mecanizado de una rosca en torno es un movimiento de avance de la herramienta sincronizado con la rotación de giro de la pieza. La punta de la herramienta genera una ranura helicoidal que hace que el tornillo rosque con un determinado paso.

Figura 4.45.  Detalle de portaherramientas para plaquitas de roscado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Para proceder al roscado en un torno hay que realizar una serie de tareas previas: 1. Tornear primeramente la pieza –en la zona que se desea roscar- al diámetro que tendrá la rosca. 2. Escoger la herramienta adecuada, en función del tipo de rosca y en consecuencia la sección del diente que posea. 3. Calcular la profundidad de pasada hasta conseguir el perfil de la rosca adecuado, así como el número de pasadas necesarias. La profundidad de la pasada de roscado no es muy elevada, por lo que el número de pasadas totales hasta completar el roscado es también elevado. No obstante, el roscado puede efectuarse en un torno paralelo convencional o en un torno CNC. En los tornos paralelos, los engranajes de la caja Norton son los encargados de la sincronización de velocidades necesaria, mientras que en los tornos CNC ha de efectuarse una programación previa de los datos de la rosca –de este modo, ya no es necesaria la caja Norton-. La velocidad de corte (Vc) para el roscado suele ser un 25% menor que la de torneado (para un mismo material e idénticas calidades de plaquita), debido a la propia forma de la plaquita: una Vc alta hace difícil la evacuación del calor, aunque nunca deben usarse Vc inferiores a 40 m/min. trabajando con metal duro.

4.3.3.1.  Torno paralelo o torno CNC En un torno paralelo pueden realizase roscas de diferentes pasos y tamaños, tanto exteriores como interiores. Para ello se hace uso de la caja Norton, que facilitará la tarea al evitarnos montar un tren de engranajes cada vez que se quisiera efectuar una rosca en concreto. Las relaciones que ofrecen los numerosos engranajes que posee, evita el cambio manual de engranajes para fijar los pasos de las piezas a roscar.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Mediante la manipulación de una serie de palancas, se pueden establecer diferentes velocidades de avance para el carro portaherramientas, permitiendo la realización una gran variedad de pasos de rosca tanto en rosca métrica como en Withworth. Esta caja de cambios se encarga de la sincronización automática del movimiento del plato del torno –y con ello la pieza- y el carro portaherramientas donde se ubicará el portaherramientas de roscar.

Figura 4.46.  Tabla con relación para roscados.

Se realiza frecuentemente en tornos CNC, con herramientas de metal duro con plaquita intercambiable que ya tienen adaptado el perfil de la rosca que se trate de mecanizar. Los intervalos de avance de la máquina deben coincidir con el paso de las mismas, lo que se logra con la programación de los tornos CNC. El torneado con plaquitas intercambiables se realiza haciendo varias pasadas de corte a lo largo de toda la longitud de la rosca, dividiendo la profundidad total de la rosca en pequeñas pasadas. Tradicionalmente, la herramienta utilizada para roscar con estos tornos es de acero rápido o metal duro soldado a un mango convenientemente afilado. Actualmente, sin embargo, lo habitual es la utilización de las plaquitas de corte intercambiables de metal duro.

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Teoría de mecanizado

¿Es más sencillo en CNC?

Por supuesto, en un torno CNC pueden efectuarse roscas de cualquier paso y tamaño. Aunque puede efectuarse la programación de los desplazamientos línea por línea, estos tornos suelen disponer de unos ciclos fijos de mecanizado que ayudan al operario a programar fácilmente el roscado, evitándole realizar cálculos trigonométricos y posicionando perfectamente la herramienta. Al utilizarse plaquitas de corte intercambiables de metal duro, siendo el perfil de la propia plaquita el encargado de tallar el diente con la sección adecuada. El roscado no debe realizarse en una única pasada a causa de la fragilidad de la punta y utilizarse un avance sincronizado mayor que en una operación normal de torneado.

Figura 4.47.  Detalle de la pantalla de programación del ciclo de roscado CYCLE97 del control Sinumerik 840D de Siemens.

4.3.3.2.  Selección de la plaquita de roscado La elección debe basarse en tres factores fundamentales: el paso de rosca, el material a mecanizar y el número de piezas a fabricar. Para roscados de 55º y 60º pueden utilizarse plaquitas de perfil parcial o plaquitas de perfil completo: ■■ La plaquita de perfil parcial puede usarse para diferentes pasos, por lo que resulta adecuada para mecanizados unitarios; el radio de punta corresponde al paso más pequeño que puede realizar, lo que hace necesario aumentar la profundidad del filete al mecanizar roscas de paso mayor. La desventaja radica en que el radio R no se ejecuta según norma.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

■■ La plaquita de perfil completo genera perfiles de rosca normalizados, además de dejar el filete sin rebabas gracias a que la propia plaquita puede mecanizar una sobremedida del diámetro exterior (0,3 mm. máximo, en diámetro). Al usar el radio de punta correcto y no inferior, se reduce el número de pasadas y aumenta la duración de la herramienta, por lo que resulta el tipo de plaquita más aconsejable para la fabricación en serie. La desventaja radica simplemente en el hecho de que se precisa una referencia para cada perfil y paso de rosca.

Ángulos de incidencia de la plaquita Para efectuar un roscado preciso son necesarios dos tipos de ángulos de incidencia entre la plaquita y la rosca: • Ángulo de incidencia del flanco. • Ángulo de incidencia radial.

Figura 4.48.  Ángulos de incidencia en el roscado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Veamos a continuación las indicaciones que nos da el experto fabricante de herramientas Sandvik Coromant en este aspecto.

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Teoría de mecanizado

El ángulo de incidencia del flanco resulta fundamental para garantizar un desgaste homogéneo que le confiera una buena calidad a la rosca. Para conseguir una incidencia simétrica –para evitar el desgaste de uno sólo de los flancos de la plaquita-, ésta ha de estar inclinada con el mismo ángulo que la hélice de la rosca.

Figura 4.49.  Plaquita inclinada con el mismo ángulo de posición que la hélice de la rosca. Fuente; SANDVIK COROMANT.

Se trata de un factor que depende del diámetro y del paso de la rosca; suele oscilar entre 1º y 1,5º, de modo que la mayoría de los fabricantes suministran los portaherramientas de roscar con dicho valor: para que la plaquita se incline con el mismo ángulo que la hélice de la rosca, los portaherramientas incorporan una placa de apoyo especial o están fabricados para proporcionarles la inclinación deseada.

tgλ =

P π×D

Donde: λ

Ángulo de la hélice, en grados.

P

Paso de la rosca, en milímetros.

D

Diámetro exterior de la rosca, en milímetros.

π

3,1416.

Por todo ello, se emplean placas de apoyo para conferir distintas inclinaciones, siempre buscando que el ángulo de posición de la plaquita coincida con el de la hélice de la rosca. La placa de apoyo estándar del portaherramientas inclina la plaquita 1°, que es el ángulo de posición más corriente, pero puede regularse dicho ángulo utilizando alguna de las diferentes placas de apoyo ofertadas por el fabricante de la herramienta, que inclinan la plaquita de grado en grado (en un abanico de opciones entre -2° a +4°).

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Figura 4.50.  Placas de apoyo para regular el ángulo de posición de la plaquita. Fuente: SANDVIK COROMANT.

En cuanto al ángulo de incidencia radial, las plaquitas se inclinan entre 10° y 15° en el portaherramientas.

Figura 4.51.  Ángulo de incidencia radial. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Métodos de torneado de roscas El fabricante Sandvik Coromant nos resume magníficamente los diferentes métodos de torneado de roscas en la siguiente tabla. Como puede verse, las posibilidades ofrecidas varían en función de diferentes parámetros: ■■ Que la rosca sea exterior o interior. ■■ Que la rosca sea a derechas o a izquierdas. ■■ Que la herramienta se desplace hacia el plato o alejándose del mismo. ■■ Que la pieza gire en sentido horario o antihorario. ■■ Que el portaherramientas sitúe la plaquita boca arriba o boca abajo (invertida).

Figura 4.52.  Métodos de torneado de roscas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

Respecto a la última variable citada, en ocasiones se emplea un portaherramientas en posición invertida, para eliminar mejor la viruta. Ya están diseñados para el roscado en posición invertida, por lo que se mantienen a la altura correcta sin necesidad de cambiar la sujeción en la torreta del torno.

Figura 4.53.  Portaherramientas normal e invertido. Fuente: SANDVIK COROMANT.

4.3.3.3.  Modos de penetración de la plaquita de roscado Los mejores tornos de control numérico ofrecen tres modos de penetración en la pieza, y alcanzar así la profundidad de corte deseada. ■■ Penetración radial (1): se trata del método más utilizado, donde la herramienta come en ángulo recto, en una línea perpendicular a la pieza y arrancando el material con ambos lados del filo. Su ventaja estriba en una formación suave de viruta y un desgaste uniforme de la plaquita. Es el procedimiento más económico para materiales de viruta corta, aunque para los de viruta larga resulta menos apropiado ya que resulta difícil romperla cuando la plaquita ataca con sus dos flancos. ■■ Penetración en oblicuo (2): se produce una penetración simultánea en ambos ejes, intentando evitar un acabado deficiente o un desgaste demasiado de la herramienta. Para mejorar los resultados de acabado puede utilizarse la penetración en oblicuo modificada, donde se fuerza un ángulo entre 3º-5º menor que el ángulo del flanco de la rosca. Se trata del método más utilizado para materiales de viruta larga. ■■ Penetración incremental o alternativa (3): este tipo de penetración se utiliza para materiales de viruta larga, para roscas muy grandes y para una mayor vida de la herramienta, utilizando el complejo método de penetración que puede apreciarse en la figura 3. Se trata del procedimiento más económico para materiales de viruta larga, destacando por la facilidad de formación de la viruta, un desgaste igualado de la plaquita y por poder mantener unas temperaturas relativamente bajas.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.54.  Modos de penetración de la herramienta de roscado.

Además del método de penetración a emplear, también ha de considerarse una serie de parámetros importantes, como son los direccionamientos para el avance, el sentido de giro de la pieza y el posicionamiento de plaquita correctos para el roscado. En cuanto al número de pasadas, va a depender fundamentalmente del material a mecanizar y el paso de la rosca a realizar. Si las pasadas a realizar tuviesen una misma profundidad, el número de pasadas a realizar se determina dividiendo la profundidad total del diente entre el valor de cada una de dichas pasadas; sin embargo, en la mayor parte de las ocasiones se rosca con penetraciones de una profundidad proporcionalmente decreciente. Número de penetraciones

PASO 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 4,50 5,00 Penetración radial por pasada (en milímetros)

1

0,11 0,17 0,19 0,20 0,22 0,22 0,25 0,27 0,28 0,34 0,34 0,37 0,41

2

0,09 0,15 0,16 0,17 0,21 0,21 0,24 0,24 0,26 0,31 0,32 0,34 0,39

3

0,07 0,11 0,13 0,14 0,17 0,17 0,18 0,20 0,21 0,25 0,25 0,28 0,32

4

0,07 0,07 0,11 0,11 0,14 0,14 0,16 ,017 0,18 0,21 0,22 0,24 0,27

5

0,34 0,50 0,08 0,10 0,12 0,12 0,14 0,15 0,16 0,18 0,19 0,22 0,24

6

0,67 0,08 0,08 0,10 0,12 0,13 0,14 0,17 0,17 0,20 0,22

7

0,80 0,94 0,10 0,11 0,12 0,13 0,15 0,16 0,18 0,20

8

0,08 0,08 0,11 0,12 0,14 0,15 0,17 0,19

9

1,14 1,28 0,11 0,12 0,14 0,14 0,16 0,18

10

0,08 0,11 0,12 0,13 0,15 0,17

11

1,58 0,10 0,11 0,12 0,14 0,16

12

0,08 0,08 0,12 0,13 0,15

13

1,89 2,20 0,11 0,12 0,12

14

0,08 0,10 0,10

15

2,50 2,80 3,12 Figura 4.55.  Tabla de penetraciones en rosca ISO métrica exterior. Fuente: SANDVIK.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

4.4.  El moleteado El moleteado es un proceso de conformado en frio del material mediante unas moletas que presionan la pieza mientras da vueltas. Esta deformación provocará un ligero incremento del diámetro de partida de la pieza. El moleteado se realiza en piezas que vayan a manipularse con la mano, con el único objeto de mejorar el agarre y evitar que pudiesen resbalarse si la pieza tuviese la superficie lisa.

Figura 4.56.  Proceso de moleteado con refrigeración. Fuente: KNURLING TOOLS.

El moleteado se efectúa en el torno con la ayuda de unas herramientas llamadas moletas, que se encargan del labrado de unas estrías sobre la superficie de la pieza cuando el operario ataca radialmente la pieza ejerciendo la presión necesaria. Por ello, es conveniente que la pieza se halle siempre sujetada por sus dos extremos (entre plato y punto, o entre puntos) para evitar que flexe o se suelte. Así mismo, hay que asegurarse de que el portaherramientas esté bien calzado, para que quede situado a la altura correcta.

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Teoría de mecanizado

Figura 4.57.  Alineación correcta de las ruedas de la moleta con el eje de giro de la pieza. Fuente: KNURLING TOOLS.

Las estrías del moleteado pueden presentar distintas disposiciones (en paralelo, en cruz, a derechas, a izquierdas o en doble diagonal).

Figura 4.58.  Ejemplo de acotado de pieza con moleteado.

El moleteado por deformación se puede ejecutar de dos maneras: ■■ Mediante una única penetración radial, cuando la longitud moleteada en la pieza coincide con el ancho de la moleta utilizada. ■■ Longitudinalmente, cuando la longitud es superior al ancho de la moleta. En este caso se procede primeramente a atacar la pieza con la moleta radialmente, hasta que aparezcan las primeras marcas, y después avanzar axialmente con una velocidad de avance lenta. La moleta ha de estar biselada en sus extremos. Suelen efectuarse dos o tres pasadas, limpiando las moletas y la pieza. El tornero ha de hacer la fuerza suficiente para apretar las moletas contra la superficie de la pieza, asegurándose así de que ocupen la misma posición y marquen cada vez más el dibujo -en vez de destruirlo-.

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4. Operaciones de mecanizado en el torno

4.5.  El punteado y el taladrado Antes de avanzar, hemos de aclarar que las operaciones de taladrado serán convenientemente tratadas en una siguiente unidad. No obstante hemos considerado oportuno aportar un breve reflejo de las posibilidades del torno en cuanto a operaciones de taladrado y afines. Solo haremos hincapié en la operación de centrado, por ser especialmente importante cara a la sujeción de la pieza.

4.5.1.  La operación de centrado Los puntos de centrado son unas perforaciones (taladros) que se realizan en la cara frontal de piezas de considerable longitud, con objeto de ayudar en el centrado y apoyo de la pieza de la pieza a tornear. Su perfil queda definido por la herramienta al penetrar, desplazándose a lo largo del eje de revolución. En el dibujo puede comprobarse la existencia de cuatro tipos (A, B, C y R):

Figura 4.59.  Tipos de orificios de centrado.

285

Teoría de mecanizado

Lógicamente, el tipo seleccionado es determinante a la hora de seleccionar la herramienta adecuada. El tipo más empleado es el A, siendo el B y el C especialmente interesantes cuando la pieza habrá de estar sujetada por un punto y se precisará efectuar operación de refrentado (hay que asegurar que la cara frontal de la pieza quede refrentada, pero sin llegar a alcanzar el punto). Otra utilidad de los orificios es permitir el guiado de las brocas de mayor diámetro, si se va a proceder al taladrado del eje de la pieza. En tornos convencionales se ha utilizado siempre un tipo de broca reforzada particular. En la imagen podemos ver dichas brocas fabricadas en HSS (acero rápido), pudiendo encontrarse también con TIN (acero rápido con recubrimiento de titanio, algo más resistentes exteriormente) e incluso metal duro, con una Velocidad de corte muy superior.

Figura 4.60.  Brocas de centrar de HSS con diferente punta. Fuente: CARMON.

No obstante, aunque sigue utilizándose, en tornos CNC se ha sustituido por las denominadas brocas NC, mucho más robustas y de fácil utilización. Existen con punta afilada a 90º o a 120º, y pueden encontrarse igualmente en acero rápido recubierto o en metal duro.

Figura 4.61.  Broca NC de 90º de metal duro. Fuente: KLK.

Recordemos que en los tornos paralelos convencionales, las brocas se ubicaban en el contrapunto –retirando primeramente el punto e introduciendo posteriormente en el alojamiento Morse del mismo un portabrocas-.

286

4. Operaciones de mecanizado en el torno

En los tornos CNC, sin embargo, las brocas se sitúan en el revólver como una herramienta más, situándose a la altura del eje de revolución de la pieza mediante programación.

Figura 4.62.  Operación de centrado taladrado en torno .

Figura 4.63.  Diferentes brocas en revólver de torno CNC. Observar el contrapunto debajo del revólver. Fuente: EMCO.

4.5.2.  La operación de taladrado y otras afines Como operación de taladrado en torno, entenderemos la generación de un orificio en el eje de revolución de la pieza. Se trataría, por tanto, de efectuar un taladrado con una broca convencional tras efectuar previamente una operación de centrado. Cuando el diámetro a alcanzar es relativamente alto como para proceder en una única operación, se realizan varios taladrados consecutivos, con brocas de cada vez mayores diámetros. Alcanzado ya un diámetro, el taladrado ya no resulta rentable y se pasa a efectuar un mandrinado si todavía se desea incrementar el diámetro final. A excepción de las brocas utilizadas, de momento haremos extensivos los comentarios realizados en el apartado anterior, recordando únicamente que en principio podrán emplearse brocas enterizas o de plaquitas intercambiables. Lógicamente también pueden efectuarse operaciones de escariado y avellanado, pero serán tratadas en la Unidad correspondiente.

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Teoría de mecanizado

4.6.  Tiempos de mecanizado El cálculo de los tiempos invertidos en la obtención del producto final es una tarea compleja, y que a menudo requiere la atención de personal especializado en tales menesteres. No vamos a comentar tiempos ajenos al propio proceso productivo (cortes de luz, indisponibilidad física de un operario, etc) o a otras relacionadas directamente con el proceso (tiempos de preparación de máquina, cambio de herramientas, carga y descarga de piezas, etc), ya que excede ampliamente los objetivos de este temario. Nos centraremos, no obstante, en el cálculo de los tiempos invertidos para cada una de las pasadas de mecanizado.

4.6.1.  Tiempos de mecanizado en el cilindrado Se trata de un cálculo relativamente sencillo, puesto que únicamente cabe considerar los parámetros que se indican en la figura y relacionarlos tal y como indica la fórmula. No debe olvidarse que la suma de dos longitudes extras a la longitud nominal de pieza debe realizarse ante la necesidad de prever una distancias de seguridad y posicionamiento para la herramienta (antes y después de realizar cada una de las pasadas).

En cualquier caso, a los tiempos invertidos en cada uno de los desplazamientos de mecanizado, habrá que incorporar el tiempo de retroceso de la herramienta hasta el punto de partida inicial o la siguiente zona de corte. Se tratará de desplazamientos realizados a mayor velocidad.

288

4. Operaciones de mecanizado en el torno

t=

L×z f ×n

z=

D−d 2×a

Donde: t

Tiempo de mecanizado, en minutos.

l

Longitud mecanizable, en milímetros.

L

Longitud mecanizable más distancias de seguridad y acercamiento, en milímetros.

f

Avance, en milímetros por vuelta.

n

Número de revoluciones por minuto (RPM).

z

Número de cortes (el número de cortes es el resultado de dividir la diferencia de diámetros entre dos veces la profundidad de corte que soportará la herramienta).

D, d Diámetros mayor y menor respectivamente, en milímetros. a

Profundidad de corte escogida para cada pasada, en milímetros.

4.6.2.  Tiempos de mecanizado en el refrentado Aunque de planteamiento similar al anterior, en esta ocasión deberá tomarse como longitud a considerar el valor del radio de la pieza más una distancia de acercamiento o seguridad. No debe considerarse el diámetro de la pieza, ya que al tratarse de un cuerpo de revolución basta con desplazar la herramienta el valor del radio para proceder a su mecanizado completo. Además, si la pieza presentase un agujero central también deberá descontarse el valor de su radio, porque como es lógico no es necesario desplazar la herramienta en ausencia de material.

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Teoría de mecanizado

t=

L×z f ×n

Los modernos tornos de CNC equipados con variadores automáticos de velocidad de giro del husillo son capaces de ajustar el número de revoluciones al diámetro de pieza que se va alcanzando durante la ejecución del refrentado. Sin embargo, no olvidemos que con tornos manuales y trabajando piezas de diámetros relativamente grandes, han de preverse una serie de paradas consecutivas para realizar el cambio manual de la velocidad (el operario habrá de escoger la más próxima dentro de la gama de revoluciones de las que disponga la máquina conforme se van alcanzando ciertos diámetros) e intentar así mantener una velocidad de corte constante. Recuérdese que, en función de la fórmula estudiada para la velocidad de corte, a menores diámetros deberá incrementarse el número de revoluciones a fin de mantener dicha velocidad de corte constante, y viceversa.

Calcular los tiempos de mecanizado para las operaciones de ranurados simples es sencillo, pudiendo establecerse una equivalencia con una operación de refrentado. Sin embargo, en ranurados complejos con desplazamiento axial (como por ejemplo en zig-zag o en rampa), se entremezclan pasadas en direcciones axiales y radiales, es decir, una mezcla entre los cálculos aplicados en cilindrados y refrentados respectivamente. Evidentemente el cálculo no se tornará más complejo, pero sí más laborioso al incrementarse significativamente el número de pasadas implicadas.

290

4. Operaciones de mecanizado en el torno

4.6.3.  Tiempos de mecanizado en el roscado en torno El planteamiento es igual al empleado para el cilindrado, excepto que en esta ocasión ha de considerarse el paso de la rosca en lugar del avance. El número de pasadas se calcula en función de la profundidad del diente y la profundidad determinada para cada una de las pasadas.

t=

L×z×e p×n

Siendo...

z=

h a

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Teoría de mecanizado

Donde:

292

t

Tiempo de mecanizado, en minutos.

l

Longitud mecanizable, en milímetros.

L

Longitud mecanizable más distancias de seguridad y acercamiento, en milímetros.

z

Número de cortes (número de penetraciones).

e

Número de roscas (número de entradas de la rosca).

p

Paso de la rosca, en milímetros.

n

Número de revoluciones por minuto (RPM).

h

Profundidad total de roscado.

a

Profundidad de corte escogida para cada pasada, en milímetros.

4. Operaciones de mecanizado en el torno

RESUMEN ■ ■ ■ ■ ■

El torneado es una operación de mecanizado mediante arranque de viruta ampliamente utilizada. Las operaciones básicas de torneado consisten en el refrentado, cilindrado, copiado y, en el caso de mecanizado sea interior, mandrinado. Además de las operaciones básicas anteriores, existen otras operaciones específicas como el torneado de roscas, el tronzado y el ranurado. En el torno pueden no obstante realizase más operaciones, realizables también en otras máquinas, como taladrado, roscado, escariado, etc. El cálculo de los tiempos de mecanizado se basa en los espacios recorridos por unidad de tiempo. Como el avance se expresa en torneado en mm/revolución, es determinante averiguar primeramente las RPM de giro de la pieza en función de la Velocidad de corte.

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5 UNIDAD DIDÁCTICA

5

Teoría de mecanizado

5.  Operaciones de mecanizado en la fresadora

5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 299 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 300 5.1.  Operaciones de fresado...................................................................................................................................... 301 5.1.1.  El planeado y escuadrado..................................................................................................................................... 302 5.1.2.  El ranurado y el cajeado....................................................................................................................................... 317 5.1.3.  Fresado de perfiles.............................................................................................................................................. 331 5.1.4.  Otras estrategias de fresado.................................................................................................................................. 337 5.2.  Tiempos de mecanizado en el fresado.............................................................................................................. 341 5.3.  Utillajes de amarre.............................................................................................................................................. 343 5.3.1.  El concepto de utillaje.......................................................................................................................................... 343 5.3.2.  Elementos de amarre........................................................................................................................................... 344

RESUMEN................................................................................................................................................................... 351

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

OBJETIVOS ■ ■ ■ ■

Conocer las principales operaciones de fresado genérico. Conocer operaciones de fresado concretas. Asociar dichas operaciones a las herramientas y datos de corte oportunos. Habituarse al léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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Teoría de mecanizado

INTRODUCCIÓN

Tras haber estudiado los diferentes procesos de Por tanto, a lo largo de esta unidad, se explicarán mecanizado realizables en un torno, ha llegado el técnicas exclusivas de fresado y también otras momento de conocer las operaciones de fresado. operaciones de mecanizado realizables igualmente Mediante operaciones de fresado pueden mecanizarse con una fresadora. piezas relativamente simples, pero es en el mecanizado Al igual que en las unidades temáticas anteriores, de moldes y piezas de especial complejidad donde intentaremos acostumbrarnos al léxico identificativo podemos comprobar las exigencias y particularidades de cada una de las operaciones. de este extenso modo de mecanizado. Además de las operaciones típicas de fresado, la ejecución de una pieza en una fresadora o centro de mecanizado suele incluir una serie de procesos adicionales como taladrado, roscado, etc... que también pueden realizarse sobre la misma máquina.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.1.  Operaciones de fresado En este subapartado conoceremos una serie de aspectos imprescindibles que hemos de conocer antes de pasar al estudio de los diferentes tipos de operaciones de fresado. Obviamente, cara a la selección de la herramienta, deberá buscarse siempre un diámetro de la fresa lo más grande posible, la máxima rigidez y el menor voladizo posible –que la herramienta no sobresalga excesivamente del portaherramientas-.

Figura 5.1.  Operación de ranurado. Fuente: SECO TOOLS.

Pero esto no es suficiente para determinar la herramienta correcta para el proceso de fresado en cuestión, hay más factores que han de ser tenidos en cuenta. Por ello, y al margen de que lo referente a datos de corte (velocidad de corte, avance y profundidad de pasada) y otros aspectos de interés ya fueron comentados en la unidad 3, recordaremos que en el fresado hemos de prestar una especial atención a los siguientes puntos: ■■ El número de filos. ■■ El ángulo de posición. ■■ El espesor de viruta. ■■ El fresado a favor o la contra. ■■ El posicionado adecuado de la herramienta. ■■ La entrada de la herramienta.

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Teoría de mecanizado

A priori, el fresado puede definirse como una operación de mecanizado basada en la acción combinada de una herramienta rotativa y un avance de la pieza. La fresa tiene varios filos que arrancan una determinada cantidad de material, resultando por tanto un proceso versátil y de alta eficiencia. Tradicionalmente, para proceder al estudio de los diferentes procesos de fresado, se efectúa una primera distinción entre el fresado periférico y el fresado frontal.

Figura 5.2.  Fresado periférico.

Figura 5.3.  Fresado frontal.

Como puede deducirse por la imagen, para el fresado periférico se precisa una fresadora con una disposición de husillo horizontal, quedando el eje de giro paralelo a la superficie trabajada. Sin embargo, para el fresado frontal se utilizan fresadoras de husillo vertical, quedando el eje de giro perpendicular a la superficie. A partir de ahí, el fresado se solía dividir en operaciones como planeado, fresado en escuadra, ranurado, etc. No obstante, con el desarrollo de nuevas maquinas de control numérico de varios ejes y software CAD-CAM, las posibilidades de trabajo se han incrementando considerablemente, pudiéndose encontrar nuevo e interesantes métodos que complementan y en ocasiones sustituyen a los tradicionales. Por ello, el estudio de las operaciones de fresado se realizará desde la perspectiva que nos ofrece el mecanizado con máquinas y software modernos.

5.1.1.  El planeado y escuadrado El planeado es el proceso de fresado por excelencia, y cuyo objetivo es la generación de superficies planas relativamente grandes. Por esta última razón se suelen utilizar fresas de un diámetro considerable y varios filos de corte, por lo general plaquitas intercambiables de metal duro. Las herramientas se conocen habitualmente con el sobrenombre de platos. Los fabricantes recomiendan como primera opción para planear el uso de plaquitas redondas o con ángulos de posición de 45º. Lógicamente, ello imposibilita la generación de paredes a escuadra (verticales), garantizándose únicamente el planeo de la superficie.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.4.  Operación de planeado en bloque de fundición. Fuente;: SANDVIK COROMANT.

Figura 5.5.  Operación de escuadrado. Fuente: ISCAR

Si se precisa que la fresa tenga capacidad de planear y escuadrar, las plaquitas de corte han de quedar ubicadas con un ángulo de posición de 90º exactamente. Pueden encontrarse platos de este tipo enterizos (de filos, en acero rápido), pero lo más habitual es encontrarlos para plaquitas intercambiables. Al margen de lo comentado, recordemos que la tecnología CAD-CAM nos permite hoy día planear de forma muy sencilla superficies no rectangulares, al encargarse el software de ajustar de manera precisa la zona de trabajo.

Figura 5.6.  Estrategia de planeado adaptado con software NX CAM. Fuente SIEMENS.

5.1.1.1.  El ángulo de posición Ya se hizo una breve introducción en la unidad 3 de la importancia que posee el ángulo de posición. Precisamente por este motivo se ha optado por dedicarle aquí un amplio apartado, dada las consecuencias que tiene una buena elección en función de las circunstancias que se presenten en el mecanizado.

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Teoría de mecanizado

Como se comentó, la elección de un plato de fresado con plaquitas a 45º resulta ventajoso, pero limita la posibilidades de mecanizado al mero planeado. Ello abre la posibilidad de emplear una misma fresa para planear o escuadrar, o emplear una fresa específica para cada operación. La elección dependerá de numerosos factores, y no es una tarea sencilla: en ocasiones depende de factores tan dispares como por ejemplo el número de piezas que conforman un lote (no es lo mismo plantear el mecanizado de una pieza única a un lote de varios cientos de piezas), el espesor de las paredes, el inventario del almacén de herramientas, el grado de acabado requerido, etc.

Fresas con ángulo de posición de 45º Se considera la primera elección para efectuar planeados. Presenta las siguientes particularidades: ■■ Se generan virutas más finas, permitiendo una mayor productividad. Manteniendo las mismas RPM que una fresa de 90º, admite un mayor avance. ■■ Reduce la vibración que producen los grandes voladizos. ■■ El posicionado escorado a 45º de las plaquitas, hace que resulten imposible mecanizar paredes verticales, por lo que no son herramientas aptas para escuadrar. ■■ La distribución de las fuerzas de corte está equilibrada. Como iremos viendo puede ser ventajoso o no, según la circunstancia de cada pieza.

Figura 5.7.  Distribución de las fuerzas de corte con plaquitas a 45º. Fuente: SANDVIK COROMANT.

■■ La entrada que realiza la herramienta en el material fresado desde el exterior para comenzar el corte, y posteriormente para abandonar la pieza, es más progresiva que con las plaquitas a 90º (que entrarían en contacto bruscamente, con grandes exigencias en cuanto a la tracción y a la compresión). ■■ No son recomendables en piezas donde la fuerza axial pueda ser un problema (en ese caso es más recomendable una fresa con plaquitas a 90º). Como puede ver en la imagen, con las plaquitas posicionadas a 45º, las fuerzas de corte radiales y axiales son iguales, por lo que en piezas delgadas (en planta) la fuerza axial empujará la pieza hacia abajo y la deformará. Un plato a 90º genera fuerzas radiales elevadas, pero las axiales son mucho más moderadas y no constituyen ya un problema.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.8.  Fuerzas axiales (eje Z) altas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Figura 5.9.  Fuerzas axiales (eje Z) bajas. Fuente: SANDVIK COROMANT

Fresas con ángulo de posición de 90º Se considera una elección de compromiso, en el caso de que se desee utilizar una única herramienta para efectuar tanto planeados como escuadrados. Presenta las siguientes particularidades: ■■ Como vimos anteriormente, la magnitud y el direccionamiento de las fuerzas de corte, hace que sean una buena opción cuando en la pieza queden unas paredes delgadas.

Figura 5.10.  Distribución de las fuerzas de corte con plaquitas a 90º . Fuente: SANDVIK COROMANT.

■■ Por el mismo motivo, resulta adecuada para piezas con una fijación débil o donde las fuerzas axiales supongan un problema. ■■ No obstante, si la paredes son delgadas verticalmente (no en planta, sino como puede verse en esta figura), no es recomendable, ya que la elevada fuerza radial podrían deformarlas.

Figura 5.11.  Problemática en paredes delgadas con plaquitas a 90º. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

■■ La elevada fuerza radial puede crear desviaciones en las herramientas con grandes voladizos, generándose vibraciones y problemas asociados con las tolerancias y los acabados. ■■ El posicionado a escuadra de las plaquitas, hace que resulten posible el mecanizado dejando paredes verticales, siendo por tanto aptas para las operaciones de escuadrado.

Además de las fresas con ángulo de posición de 45º y 90º comentadas, es frecuente la utilización de ángulos de posición de 60° y 75°. Combinan una buena productividad gracias a las considerables profundidades de corte y menores fuerzas axiales que las de 45°, pero con una mejor resistencia que las de 90°.

Fresas con plaquitas redondas Actualmente se considera una primera elección, y que presenta las siguientes particularidades: ■■ La más interesante es que el filo es muy resistente, resultando un corte bastante uniforme incluso con los materiales más difíciles. ■■ Alta capacidad de avance al generarse virutas más delgadas y un filo más amplio. Esto las hace especialmente adecuadas para mecanizar titanio y aleaciones termorresistentes. ■■ Distribución de las fuerzas de corte muy equilibrada.

Figura 5.12.  Distribución de las fuerzas de corte con plaquitas redondas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

■■ Según las variaciones de profundidad de corte ap, el ángulo de posición cambia de cero a 90°, cambiando la dirección de la fuerza de corte en el radio del filo y, por ello, la presión resultante. ■■ Además se trata de una fresa universal, en cuanto si se trabaja con centros de mecanizado con cuarto o quinto eje, permite un seguimiento preciso de las superficies complejas. ■■ En el caso de cortes intermitentes, como el de planchas repletas de oquedades o perforaciones previas, la homogénea distribución de las fuerzas de corte convierte a estas fresas en las más recomendables.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Anexo. Los ángulos de posición comentados anteriormente -45º ó 90º- tienen evidentemente muy utilizados, como casos extremos de la eficiencia y la versatilidad respectivamente en el planeado. No obstante existen platos con ángulos de posición intermedios, por lo general a 60º y 75º. Una herramienta particular en este aspecto es la novedosa fresa con ángulos de posición de sólo 10º, apta para mecanizado de alta velocidad (MAV). La productividad es muy elevada, ya que está capacitada para unos elevadísimos avances -a costa de una profundidad de corte baja, de no más de 2 mm- gracias a la delgada viruta extraída, sin perder la estabilidad del husillo. Ese control de las vibraciones hace que sea una herramienta adecuada para fresado en plunge.

Figura 5.13.  Distribución de las fuerzas de corte con plaquitas a 10º. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Además no precisan de potencias y par apriete elevados, por lo que pueden conseguirse una considerable productividad con máquinas pequeñas de poca potencia.

Figura 5.14.  Fresa para alta velocidad de avance de 10º. Fuente: SANDVIK COROMANT.

5.1.1.2.  Fresado a favor o a la contra Uno de los aspectos más importantes para obtener unos buenos resultados es la elección de una dirección de avance adecuada. En el fresado a favor, también denominado fresado en concordancia o fresado hacia abajo, la dirección del avance de la pieza es la misma que la de rotación de la fresa en el área de corte. El espesor de la viruta va disminuyendo desde el inicio del corte hasta alcanzar espesor cero a la salida del corte.

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Teoría de mecanizado

En el fresado a favor la plaquita inicia el corte con un gran espesor de viruta, lo que hace que las fuerzas de corte tiendan a empujar la pieza hacia la herramienta y exista desde el principio un área de corte efectiva. Además se evita el efecto de roce o bruñido que produce el fresado en contraposición, lo que evita calentamientos y endurecimientos de superficie indeseados. Figura 5.15.  Fresado a favor o hacia abajo. Fuente: GIMA SPA.

En lo que respecta a la fijación de la pieza, en el fresado a favor o hacia abajo, ésta ha de resistir las fuerzas de empuje.​ Por otro lado, en el fresado en contraposición, también llamado fresado hacia arriba, la dirección del avance de la pieza es opuesta a la de rotación de la fresa en el área de corte. El espesor de la viruta es cero al inicio del corte y va aumentando progresivamente hasta alcanzar el final del corte. En el fresado en contraposición, cuando la plaquita inicia el corte con espesor de viruta cero, aparecen unas fuerzas de corte que tienden a separar la herramienta de la pieza. Por consiguiente, la plaquita entra “forzada” al comenzar el corte y se origina un efecto de roce o bruñido (con efectos muy negativos como calentamiento, endurecimientos de las superficies, etc). A ello que hay que sumar las citadas fuerzas que tienden a separar herramienta de pieza, y que obligan a reforzar los amarres. Figura 5.16.  Fresado en contraposición o hacia arriba. Fuente: GIMA SPA.

Además, la salida repentina del filo es una de los aspectos más negativos para las plaquitas de metal duro, existiendo un riesgo elevado de rotura de la plaquita en el momento de dicha salida, es decir, cuando deja de cortar material (el metal duro soporta mejor la compresión que sufre la plaquita en el fresado a favor). En lo que respecta a la fijación de la pieza, en el fresado en contraposición o hacia arriba, ésta ha de resistir fuerzas de elevación, tendentes a arrancar la pieza de su amarre (recordemos que en el fresado a favor, la pieza debía resistir las fuerzas de empuje hacia abajo).​

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

A continuación vemos las dos imágenes anteriores unidas, para poder comprobar de manera sencilla la diferencia:

Figura 5.17.  Fresado a favor o hacia abajo (izquierda) y fresado en contraposición o hacia arriba (derecha). Fuente SANDVIK COROMANT.

En esta otra imagen podemos ver, de una manera muy gráfica, como queda posicionada la fresa en relación al material que se está mecanizado. Éste es un aspecto muy importante a la hora de determinar lo que en CNC se denomina compensación del radio de la fresa, y que determina mediante la correspondiente instrucción cuándo la herramienta avanza por la derecha de lo que es la pieza (G42) o por la izquierda (G41).

Figura 5.18.  Posición de la herramienta el fresado en contraposición (parte superior de la imagen) y en el fresado a favor (parte inferior de la imagen). Fuente GIMA SPA.

Suponiendo que la herramienta avanza de Oeste a Este, en el fresado en contraposición (parte superior de la imagen) el centro de la herramienta quedará a la derecha del material. Podemos comprobar que al principio del corte, el espesor de la viruta es cero. En ese caso, hay que introducir la instrucción G42 en el programa de CNC.

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Teoría de mecanizado

Sin embargo, en el fresado a favor (parte inferior de la imagen) el centro de la herramienta quedará a la izquierda del material. Al principio del corte, el espesor de la viruta es el máximo. En ese caso, hay que introducir la instrucción G41 en el programa de CNC. La formación de viruta se ve afectada directamente. Nada mejor que unas imágenes para poder ver con claridad cómo se va generando:

Figura 5.19.  Formación de viruta en fresado a favor (izquierda) y en fresado en contraposición (derecha). Fuente SANDVIK COROMANT.

Aplicación En general, el fresado a favor o hacia abajo es en casi todos los materiales el más conveniente para lograr una buena calidad en la superficie fresada. No obstante, los esfuerzos de corte generados por el brusco impacto del filo contra la pieza al inicio del corte, hace que sólo pueda aplicarse con utillajes que amaren bien la pieza y máquinas preparadas para soportar estos empujes. Por ello, es el método recomendado en grandes fresadoras y centros de mecanizado CNC. El fresado en contraposición o hacia arriba ofrece como ventaja un requerimiento menor de potencia para la máquina y un mecanizado más suave, pero deja huellas en la superficie mecanizada por las pequeñas vibraciones que se producen en el filo y el continuo arrastre de la viruta. Además, y aunque parezca incongruente en un principio, la duración del filo es menor debido al efecto de bruñido a la entrada del corte. De hecho, al inicio el filo no llega a cortar, sino que “desgaja” el material por arrastre (como cuando se pasa un cuchillo por la mantequilla), hasta que finalmente ya se inicia el verdadero corte. Con fresadoras convencionales, donde encontramos juego en los husillos y poca potencia por general, suele trabajarse con este último sistema. También en las plaquitas de cerámica se recomienda el fresado en contraposición, ya que la cerámica es muy sensible al impacto brusco al entrar en la pieza. ¿Hay más condicionantes? Sin embargo la herramienta y la máquina empleada no son los únicos condicionantes para la elección de un modo u otro de avance. Hay algunos materiales que se prestan mejor al fresado en contraposición cuando se desea conseguir buenos acabados, como por ejemplo casi todos los plásticos.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Tampoco en metales donde se genere un elevado calor en el filo, como fundiciones y aceros forjados. Además, hay circunstancias en las que no se puede aplicar estos criterios al 100%, y es la práctica lo que nos llevará a una elección correcta. Por ejemplo, en el mecanizado de las paredes de cavidades muy profundas, el fresado a favor impulsa las virutas hacia el interior, dificultando su salida y pudiendo dañar los filos por el aplastamiento de la viruta.

5.1.1.3.  El posicionado adecuado de la herramienta La formación de la viruta varía sensiblemente según el posicionado de la herramienta respecto a la pieza. A continuación vamos a aportar una serie de pautas de trabajo para los planeados, basadas en las recomendaciones del experimentado fabricante Sandvik Coromant. En primer lugar, ha de quedar claro que el filo de la herramienta establecerá contacto con la pieza en tres fases distintas: 1. Entrada del corte. El comienzo del corte se produce en el punto numerado como 1. Las plaquitas de metal duro soportan bien los esfuerzos de compresión, por lo que no supondrán problemas de rotura. 2. Arco de empañe. Es lo que podríamos denominar amplitud del corte, se produce desde el punto 1 al 3 en la figura (desde la entrada hasta la salida). 3. Salida del corte. Se produce en el punto numerado como 3. Las plaquitas de metal duro soportan peor los esfuerzos de tracción, debido al doblado repentino de la viruta. Puede suponer Figura 5.20.  Fases del corte. Fuente: SANDVIK problemas de rotura del filo. COROMANT.

Posibles casos Pasemos ahora a analizar los casos más significativos que se nos presentan. Evidentemente el centro de la herramienta podría quedar en otras posiciones exteriores o interiores a la pieza, o incluso centrada; se han representado los casos más probables.

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Teoría de mecanizado

Con fresado a favor o hacia abajo Los dos casos, con la fresa situada a la izquierda de la pieza, son casos favorables (fresado hacia abajo, con espesor máximo de viruta al inicio del corte y espesor cero a la salida del corte). En la figura de la izquierda podemos ver qué sucede cuando el filo (la plaquita intercambiable en este caso) entra a cortar en la pieza, estando el centro de fresa en el interior de la pieza. El ancho de pasada es el recomendado, y equivale al 75% del diámetro de la fresa. Como puede observarse en el detalle ampliado, el impacto contra el material a cortar se produce en la zona interior de la plaquita, que soportará bien el repentino choque.

Figura 5.21.  Entrada al corte, con centro de fresa en el interior de la pieza. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Sin embargo, en esta otra figura podemos ver lo que sucede cuando la plaquita entra a cortar en la pieza, estando el centro de fresa en el exterior de la pieza. El ancho de pasada equivale al 25% del diámetro de la fresa. Como puede observarse en el detalle ampliado, el impacto contra el material a cortar se produce justo el filo de la plaquita: aunque el metal duro soporta bien los impactos (esfuerzos de compresión), es evidente que la zona del filo es más delicada. No obstante puede trabajarse a mayor Velocidad de corte y Avance que en el caso anterior.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.22.  Entrada al corte, con centro de fresa en el exterior de la pieza. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Con fresado a contraposición o hacia arriba Los dos casos que vemos a continuación, con la fresa situada a la derecha de la pieza, son casos desfavorables (fresado hacia arriba, con espesor cero de viruta al inicio del corte y espesor máximo a la salida del corte). Ello se debe a que la salida de la pieza es el punto más problemático de los tres comentados. Las plaquitas de metal duro soportaban relativamente bien el impacto al inicio del corte (esfuerzo de compresión), pero no sucedía lo mismo al finalizar el corte, donde la viruta repentinamente deja de tener apoyo y tiende a doblarse (esfuerzo de tracción). Esto puede provocar la consiguiente fractura en el filo de la plaquita. En estas imágenes podemos comprobar qué sucede con detalle, según el centro de la fresa se halle ubicado en el interior o exterior de la pieza. En cualquier caso, debería intentarse evitarse grandes espesores de la viruta a la salida.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.23.  Salida del corte, con centro de fresa en el interior de la pieza. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Figura 5.24.  Salida del corte, con centro de fresa en el exterior de la pieza. Fuente: SANDVIK COROMANT

Además, y como última recomendación, ha de procurarse que siempre se halle más de un filo o plaquita de la herramienta cortando. Debe prestarse una especial atención a este hecho cuando el centro de la fresa se halle fuera de la pieza, ya que el arco de empañe es entonces menor.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.1.1.4.  Entrada a la pieza Realizar una entrada directa a la pieza no supone una estrategia recomendable ya que, aunque sea únicamente en los primeros arranques de material, salen virutas demasiado gruesas y genera vibración. Como solución, puede reducirse el avance al 50% al inicio del corte, hasta que la fresa esté entrada en la pieza, o rotar al entrar a cortar. Esta última solución es válida para fresadoras y centros de mecanizado CNC, programando la rotación en sentido horario: al rotar hacia el interior del corte, el espesor de la viruta en la salida será siempre cero y así el avance podrá ser más alto y la vida útil de la herramienta más prolongada.

Figura 5.25.  Propuesta de entrada de la fresa en sentido horario, para lograr espesor de viruta cero a la salida del corte. Fuente SANDVIK COROMANT.

Una vez dentro del material la herramienta, la solución idónea es mantener la fresa con un empañe constante, ya que los cambios bruscos de dirección generan (en cada uno de los cambios) los mismos problemas que provocaba una entrada directa en la pieza, como se comentó anteriormente.

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Teoría de mecanizado

En la imagen podemos ver a la izquierda la solución clásica, consistente en el mecanizado mediante pasadas paralelas, y donde evidentemente se produce un levante de la herramienta (y la interrupción del corte) entre pasada y pasada. La solución del mecanizado en espiral, con entrada en sentido horario, resulta más óptima por los motivos expuestos.

Figura 5.26.  Empañe constante durante el planeado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

No obstante, la realización de estos movimientos sincronizados, solo es factible mediante programación CNC. Si aparecen interrupciones (agujeros y canales) en la superficie a planear, no debe fresarse sobre dichas interrupciones, ya que las frecuentes entradas y salidas generan grandes exigencias en los filos. En la imagen puede verse la entrada en sentido horario y el posterior avance sobre las superficies laterales, evitándose la ranura central.

Figura 5.27.  Planeado evitando interrupciones. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Si es inevitable avanzar sobre una interrupción, se recomienda reducir el avance. En la imagen puede verse la entrada en sentido horario y el posterior avance, donde no se evita la ranura central: reducir en este caso el avance al 50%.

Figura 5.28.  Planeado con interrupciones y reducción del avance. Fuente: SANDVIK COROMANT.

5.1.2.  El ranurado y el cajeado A efectos prácticos se trata de una combinación entre un planeado y un fresado periférico. Como típico ejemplo pueden citarse los chaveteros o pequeñas cajeras. En las ranuras profundas es importante controlar que no se produzcan atascos en la evacuación de la viruta (es recomendable utilizar aire comprimido). En los mecanizados pequeños o con exigencias de acabado superficial suele utilizarse fresas enterizas. Las fresas de plaquitas intercambiables poseen en cambio un gran rendimiento, pero su efectividad queda limitada por la profundidad que tenga el filo: una alternativa es utilizar fresas multiplaquitas dispuestas en hélice, especiales para desbaste pesado y también conocidas como fresas de cocodrilo. En la imagen podemos observar los tres modelos de fresas comentados.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.29.  Fresa enteriza de metal duro. Fuente: IZAR.

Figura 5.30.  Fresa de plaquitas intercambiables. Fuente: ACCUSIZETOOLS.

Figura 5.31.  Fresa de cocodrilo. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Las ranuras u oquedades, cuyos procesos de mecanizado son conocidos como ranurado o cajeado respectivamente, pueden ser abiertas o ciegas (ranuras u oquedades cerradas por los extremos).

Figura 5.32.  Operación de ranurado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.33.  Operación de cajeado. Fuente: IZARO.

Se trata de mecanizados bastante exigentes, donde hay tres problemas vitales que tener en cuenta: ■■ El principal problema estriba siempre en la evacuación de la viruta. Ya comentamos que la utilización de fresas enterizas con pocos filos permitirá un desahogo adecuado de la viruta, al disponer de suficiente espacio entre los mismos. ■■ Otro problema importante es el voladizo de la herramienta, que no debe resultar excesivo para que no se genere vibración o la desviación del eje de la fresa. No se recomienda superar una profundidad superior al 75% de la longitud del filo de la fresa. ■■ Al igual que una correcta evacuación de la viruta, la refrigeración vuelve a ser un factor crítico.

Las fresas enterizas comentadas también se utilizan habitualmente, con los criterios ya expuestos en el primer apartado, para las operaciones de escuadrado. No obstante, al no existir problemas severos de desahogo de viruta (como sí ocurre en las cavidades), pueden emplearse fresas con mayor número de filos. Proporcionan un mayor régimen de corte o un mejor acabado (dependiendo del avance imprimido).

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Teoría de mecanizado

5.1.2.1.  Cómo abrir una ranura o una cajera cerrada ​ a ejecución de una ranura o una cajera abierta no presenta problemas, en cuanto la L herramienta puede comenzar el corte desde el exterior sin problemas de evacuación de viruta.

Figura 5.34.  Apertura de ranura abierta con fresa de cocodrilo. Fuente: SANDVIK COROMANT

Sin embargo, en los mecanizados de cavidades ciegas (especialmente las cajera pequeñas o las ranuras largas y estrechas), el acceso de la herramienta exige alguna estrategia concreta para abrir dicha cavidad. Si se va a utilizar una fresa enteriza, antes ha de determinarse si posee o no la capacidad de taladrar. Las fresas de plaquitas intercambiables no poseen por lo general capacidad para el taladrado.

Capacidad de taladrado de una fresa enteriza Para que una fresa enteriza posea capacidad de taladrar, es condición que al menos uno de los filos llegue al centro de la misma. En estas imágenes podemos ver diferentes fresas enterizas con y sin corte al centro (vista en planta). Los filos en azul representan aquellos que llegan al centro de la herramienta; los filos en rojo representan aquellos que no llegan. Las fresas en las que ninguno de los filos llegue al centro, no poseen capacidad de taladrado: dicho de otro modo, podrá efectuar movimientos de fresado en el plano XY y de taladrado en el eje Z. No obstante, la velocidad de avance debe reducirse al 50% durante la operación de taladrado. En caso de que el número de filos sea par, habrá dos filos de corte que alcanzan el centro (fresas de 2, 4 ó 6 labios). Si el número de labios es impar, habrá únicamente un filo de corte que alcanza el centro (fresas de 3 ó 5 labios).

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Esta fresa posee un filo con corte al centro (filo azul) y dos filos que no alcanzan ese centro (filos rojos). El filo azul, por tanto, hace que posea capacidad de taladrado. Podrá efectuar movimiento de taladrado en el eje Z y posterior fresado en el plano XY.

Figura 5.35.  Fresa de 3 labios con corte al centro

Esta fresa posee dos filos con corte al centro (filos azules) y dos filos que no alcanzan ese centro (filos rojos). Los filos azules hacen que posea capacidad de taladrado. Podrá efectuar movimiento de taladrado en el eje Z y posterior fresado en el plano XY.

Figura 5.36.  Fresa de 4 labios con corte al centro

La fresa es más robusta que la anterior de 3 filos, pero la distancia entre los mismos es menor y la evacuación de la viruta es más dificultosa.

Esta fresa posee cuatro filos sin corte al centro (filos rojos). Al no poseer por tanto capacidad de taladrado, sólo podrá efectuar movimientos de fresado en el plano XY.

Figura 5.37.  Fresa de 4 labios sin corte al centro Figura 5.38.  Ejemplos de fresas enterizas con y sin capacidad de taladrado. Fuente: SOMTA.

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Teoría de mecanizado

Métodos de abrir una cavidad en mecanizados ciegos Existen tres métodos básicos para abrir una cavidad: a. Taladrado previo con broca. Consiste en el taladrado previo de un agujero mediante una broca convencional, que permitirá (más adelante) el acceso de una fresa enteriza o de plaquitas intercambiables que no posee capacidad de taladrado por sí sola. También se utiliza con fresas que sí poseen capacidad de taladrado, cuando se desea acelerar el proceso de ejecución en ranuras profundas (recuérdese que aunque la fresa posea capacidad de taladrado, éste debía efectuarse con el avance reducido a sólo el 50%). Se trata de un procedimiento muy utilizado en mecanizado mediante fresadoras convencionales. b. Taladrado con la propia fresa. Si la fresa enteriza utilizada posee capacidad de taladrado, puede accederse mediante la realización de un agujero previo hasta la profundidad deseada. A partir de entonces, la fresa se desplazará en el plano para completar el mecanizado de la cavidad. Obviamente, al prescindir de la broca previa, se produce una economía en herramientas y también en los tiempos de cambio de herramienta. Por lo general, las fresas de más de 4 filos no admiten operaciones de taladrado.

Figura 5.39.  Taladrado y ranurado con la propia fresa. Fuente: SANDVIK COROMANT.

c. Mecanizado en rampa lineal o en espiral. Reservado a las fresadoras y centros de mecanizado CNC, el mecanizado en rampa lineal o en espiral es un método habitual hoy día gracias a las facilidades de programación que ofrecen los CNC modernos. Una ventaja importante de estos dos métodos es la posibilidad de utilizar fresas sin capacidad de taladrado (sin corte al centro). No obstante, las fresas poseen una capacidad limitada para penetrar en rampa, según la geometría y el diámetro de la fresa: ello obliga a la realización de múltiples rampas hasta alcanzar la profundidad deseada.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.40.  Mecanizado en rampa lineal​. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Figura 5.41.  Mecanizado en rampa en una cavidad. Este tipo de penetración también puede aplicarse al fresado de cavidades de tamaños más generosos​. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Incluimos a continuación unas indicaciones del fabricante WNT para penetrar en rampa (este fabricante lo denomina inmersión oblicua): d1 [mm]

αR [º]

10

11,0

12

7,9

16

4,3

20

3,0

25

2,5

32

1,6

40

1,2

50

1,0

Figura 5.42.  Ángulos de rampa máxima según diámetro de la fresa. Fuente: WNT.

A modo de ejemplo, en la columna de la derecha podemos ver los ángulos de penetración en rampa: por ejemplo, una fresa de diámetro 10 mm podrá penetrar con una rampa de hasta 11º, pero una fresa de la misma serie pero de diámetro 50 mm, podrá penetrar con una rampa de tan sólo 1º.

Cada fabricante ofrece diferentes series de fresas, cada una de ellas con unas características de trabajo y diferentes ángulos posibles de penetración. Habrá que consultar el catálogo del fabricante para comprobar si la fresa en cuestión pose capacidad de taladrado, y de ser así cuál es el ángulo máximo admisible.

Otra ventaja del fresado en rampa es que no hay que disminuir la velocidad de avance (algo que sí sucedía con el taladrado), por lo que el escaso ángulo de penetración comentado anteriormente queda compensado por la velocidad de acceso. Al igual que sucedía en el método anterior, nuevamente se produce una economía en herramientas y en los tiempos de cambio de herramienta. El mecanizado en espiral se utiliza para fresar ranuras y cavidades más anchas.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.43.  Mecanizado en espiral. Fuente: SANDVIK COROMANT

La realización de cajeras circulares de grandes diámetros, sin embargo, no resultan productivas con estos sistemas. Para el mecanizado de las mismas, es más factible el uso de mandriles, cuyos modos de utilización se comentarán debidamente en la Unidad 6.

5.1.2.2.  Los chaveteros Para evitar el giro libre entre un eje y una rueda (el eje giraría “loco”, sin transmitir el movimiento a la rueda), se recurre al uso de la chaveta. En general, puede decirse que asegura la transmisión eficaz del movimiento entre dos elementos, siendo capaces de transmitir movimiento y esfuerzo (potencia). Hay diferentes tipos de chavetas, pero las más conocidas son una pieza de sección rectangular de dimensiones normalizadas con los extremos redondeados. Según norma ISO, se fabrican de acero con una resistencia de tracción de 70 a 80 kp/mm2. La longitud de la chaveta ha de ser 1,5 veces el diámetro del eje como mínimo, para poder transmitir el mismo par de torsión que el eje correspondiente. Los bordes son redondeados para evitar la formación de grietas y posteriores roturas.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.44.  Chaveta longitudinal.

Los chaveteros son las ranuras que se mecanizan tanto en los ejes como en los agujeros para asegurar dicha transmisión. En los ejes se mecanizan mediante fresado, pero en los agujeros se mecaniza mediante mortajadora. Normalmente se trata de un ejemplo típico de ranuras ciegas, aunque también existen abiertos.

Figura 5.45.  Chaveta insertada en el chavetero fresado en el eje de un motor hidráulico. Fuente: HYDRA-GRENE.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Las chavetas tienen que quedar muy bien ajustadas en los correspondientes chaveteros. Por ello, el ancho de los chaveteros se mecaniza con los ajustes que se indican en la siguiente tabla. Tipo de ajuste

Chavetero mecanizado en el eje

Chavetero mecanizado en la rueda

Para que la chaveta entre a presión (forzada) 

p9

P9

Para que la chaveta entre con un ligero apriete

n9

J9

Para que la chaveta entre deslizando (con un ligero juego)

h9

D10

Los chaveteros no pueden mecanizarse directamente con una fresa del mismo diámetro que el ancho del chavetero. La flexión que sufre la fresa enteriza durante el taladrado necesario para abrirse paso, hace que el perfil del chavetero no sea el deseado, quedando con la forma del denominado coloquialmente “hueso de perro”. Por ello, si se desea mantener una forma adecuada y unas tolerancias ajustadas, ha de utilizarse una fresa enteriza de menor diámetro que el ancho de la herramienta.

Si por ejemplo se realizase un chavetero de ancho de 10 mm, se efectuaría con una fresa de diámetro 6 u 8 mm preferiblemente. Evidentemente, habría que programar las trayectorias oportunas en la fresadora CNC, garantizándose así la geometría, medidas y acabados esperados.

El método adecuado para su mecanizado correcto es dividir el fresado en dos partes: 1. Fresado con una herramienta (de menor diámetro que el ancho del chavetero deseado) por el centro, a modo de desbaste. Por tanto quedará una gran ranura central, tras eliminar la mayor parte del material. Ha de controlarse muy bien la correcta evacuación de la viruta. 2. Finalmente se efectúa un fresado de la periferia, hasta darle la forma definitiva. En este caso ha de controlarse bien la profundidad de pasada y los avances, para evitar la flexión de la fresa y que las paredes no queden a escuadra.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.46.   ​Fresado de chavetero en eje en dos fases. Fuente: SANDVIK COROMANT.

5.1.2.3.  El ranurado mediante fresa de disco Las fresas de disco son capaces de mecanizar ranuras largas, estrechas y muy profundas de forma eficiente, habitualmente con tolerancias estrechas. En la imagen podemos ver una fresa de disco de plaquitas intercambiables mecanizando una ranura de bastante longitud: una fresa cilíndrica convencional podría realizar igualmente la ranura, pero el tiempo de mecanizado y el desgaste de la herramienta sería mucho más elevado. Para ranuras cortas y poco profundas, como por ejemplo un chavetero, se utilizarán fresas enterizas de dos filos, pero para ranurados como los de la imagen se emplearán las de disco.

Figura 5.47.  Mecanizado de ranura con fresa de disco. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Suelen emplearse en máquinas de husillo horizontal, pudiéndose en este caso formar los llamados “trenes de fresas” para mecanizar simultáneamente varias ranuras en un mismo plano.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.48.  Tren de fresas, con cuatro fresas de disco. Fuente: CERATIZIT.

A pesar de su productividad, son fresas caras, al incorporar un número elevado de filos. Las herramientas enterizas precisan un delicado afilado de su elevado número de filos, mientras que las de plaquitas precisan igualmente un número elevado de plaquitas que exigen un delicado posicionamiento para que ninguna sobresalga más de lo debido y altere la profundidad de la ranura. Es frecuente que los filos o plaquitas posean una geometría concreta, para mecanizar un perfil concreto. El tallado de dientes de engranajes no deja de ser un ejemplo de este tipo de mecanización.

Figura 5.49.  Fresa de disco para fresado de perfiles en V. Fuente: GLOOR.

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Teoría de mecanizado

En muchos talleres se dispone de una máquina convencional de husillo horizontal, precisamente para la instalación de este tipo de herramienta. Sin embargo, los grandes centros de mecanizado suelen disponer ya de una fresa de este tipo en el almacén para realizar los mecanizados oportunos.

5.1.2.4.  Otros ranurados Al margen de lo ya comentado, y aunque se trata de un tema extenso, existen diferentes fresas con geometrías más o menos especiales diseñadas para la realización de mecanizados específicos. Comentaros a continuación algunos de los más habituales.

Ranurado en forma de t y cola de milano Los ranurados en forma de T precisan evidentemente de una fresa con una geometría especial. Las ranuras en forma de cola de milano se efectúan mediante fresas cónicas.

Figura 5.50.  Fresa para ranurar en forma de T. Fuente: GARANT.

Antes de darle forma a estas ranuras en T, en el caso de ser interiores obviamente ha de abrirse una ranura ordinaria con una fresa enteriza normal (para que pueda acceder desde el exterior la fresa de T). Un ejemplo típico serían las ranuras disponibles en las mesas de las fresadoras, a través de las cuales introducir tacos en forma de T donde roscar elementos normalizados de sujeción de piezas.

Figura 5.51.  Fresa mecanizado ranura en forma de T con plaquita inter- Figura 5.52.  Fresa enteriza HSS mecanizado ranura en cola de milano. cambiable. Fuente: PAUL HORN. Fuente: MONGRAT.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.1.3.  Fresado de perfiles Se entiende como fresado de perfiles el mecanizado de superficies complejas, lo cual suele incluir superficies planas, cóncavas y convexas en una misma área.

5.1.3.1.  El mecanizado multieje Las fresadoras convencionales, tanto manuales como gobernadas mediante CNC, efectúan el fresado de las superficies planas mediante desplazamientos en los tres ejes lineales (ejes X, Y, Z).

En CNC se considera como eje Z al eje principal de la máquina. En fresadoras y centros de mecanizado, por tanto, el eje del husillo es siempre el eje Z (tanto en máquinas de husillo vertical como horizontal). El plano XY es el plano principal, y es perpendicular al eje principal Z comentado.

Las máquinas multieje, además de los citados desplazamientos en tres ejes lineales (ejes XYZ), pueden también rotar alrededor de uno o más ejes. La utilización de software CAD-CAM (diseño y fabricación asistida por ordenador) ha facilitado enormemente la programación CNC en varios ejes. Los centros de mecanizado modernos suelen disponer de 5 ejes: los 3 ejes lineales (X, Y, Z) y 2 de los tres posibles ejes de rotación (A, B, C).

Figura 5.53.  Posible disposición de ejes en un centro de mecanizado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Anexo Debe quedar claro que el mecanizado de superficies complejas es factible tanto en máquinas de solo 3 ejes lineales, como de 4 ó 5 ejes. En la imagen de la izquierda podemos ver una fresa semiesférica mecanizando una superficie cóncava: basta con que el CNC se encargue de realizar las trayectorias curvas necesarias, para que una fresadora de 3 ejes la mecanice satisfactoriamente.

Figura 5.54.  Fresado en 3 ejes con husillo rí- Figura 5.55.  Fresado en 5 ejes con husillo orientable. Fuente: gido vertical. Fuente: SECO TOOLS. BRETON.

Sin embargo, en la imagen de la derecha podemos ver cómo el husillo ha rotado, permitiendo que la herramienta se posicione totalmente perpendicular a la superficie en el punto de corte. Ello conlleva una serie de ventajas, como las siguientes: ■■ Se consigue un mejor acabado superficial gracias a los movimientos tangenciales de la herramienta durante el mecanizado (ésta queda posicionada perpendicularmente, de manera que es la punta de la fresa esférica la que efectúa siempre el corte). Esta orientación de la herramienta asegura en todo momento un contacto óptimo entre herramienta y pieza. ■■ Puede evitarse tener que girar o recolocar manualmente la pieza a lo largo del mecanizado, al permitir mecanizados de varios laterales de la pieza en una única operación. De este modo se minimiza el tiempo no productivo y las imprecisiones que inevitablemente producirían unos sucesivos amarres de la pieza. ■■ Pueden maquinarse superficies realmente complejas, que con máquinas de husillo rígido no serían realizables. Constructivamente, las fresadoras o centros de mecanizado de 5 ejes pueden conseguir mantener la herramienta perpendicular a la superficie de dos modos: mediante una rotación del husillo (como acabamos de ver), o mediante la rotación de la pieza, sujetada en una mesa orientable en dos ejes. Podemos ver éste último ejemplo en la imagen siguiente.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.56.  Centro de mecanizado de 5 ejes, con mesa orientable en 2 ejes. Fuente: CHIRON.

5.1.3.2.  La necesidad del perfilado No obstante, aunque la máquina disponga de 5 ejes y se programe mediante un software CAD-CAM, el desbaste suele efectuarse convencionalmente, es decir, en los 3 ejes lineales y con herramientas de planear o escuadrar. El resultado del desbaste, según sea exterior o interior, suele ser una isla o una oquedad escalonada. En la imagen podemos ver la propuesta de desbaste que realiza un software cad-cam: como podemos observar, independientemente de que se mecanice con una máquina de 3, 4 ó 5 ejes, el software opta siempre por la estrategia más sencilla, que es desbastando por capas planas progresivamente. En las paredes resultantes, se percibirá un escalonado que dependerá de la profundidad de pasada y la inclinación de la pared final deseada.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.57.  Propuesta de desbaste, con software cad-cam NX CAM. Fuente: SIEMENS.

Para conferirle a la pieza la geometría final deseada, deberá procederse a efectuar las operaciones de semiacabado y acabado de superficies curvas u oblicuas, eliminándose dichos escalonados productos del desbaste. Es entonces cuando realmente se trabajan con 4º ó 5º eje. En la imagen podemos ver la operación de acabado propuesto para esta otra pieza.

Figura 5.58.  Propuesta de acabado en 5 ejes, con software cad-cam NX CAM. Fuente: SIEMENS.

5.1.3.3.  Fresado de contorno o fresado en copia Existen dos modos básicos de que le herramienta complete su recorrido, denominadas fresado de contorno y fresado en copia (o también contorneado y copiado respectivamente).

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.59.  Fresado de contorno. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Figura 5.60.  Fresado en copia. Fuente: SANDVIK COROMANT.

El modo más habitual es el fresado de copia, sencillo y que efectúa numerosas entradas y salidas en el material. Sin embargo, las variaciones bruscas que se producen en los diferentes niveles y las variaciones continuas en la zona de la herramienta que efectúa el corte (carga de trabajo mal repartida), hacen que presente ciertas desventajas. Además, la velocidad de avance es menor comparando con el contorneado, y la continua variación de las fuerzas sobre la herramienta, hacen que la vida útil de la herramienta sea baja. Los tiempos de mecanizado son relativamente largos, y es más fácil que se produzcan errores de forma. Como la herramienta realiza recorridos hacia arriba y hacia abajo aleatoriamente, resulta recomendable disminuir el avance en los tramos más problemáticos –mayor reducción del avance conforme mayor sea la verticalidad de la pared-. El fresado de contornos, sin embargo, permite una mayor homogeneidad en las condiciones de corte y las cargas a las que se ve sometida la herramienta, permitiendo mayores avances y una vida mayor. En el contorneado hay menos cambios repentinos de dirección de mecanizado y cargas de trabajo que en el copiado.

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Teoría de mecanizado

Figura 5.61.  Fresado de contorno con fresa de plaquitas intercambiables. Fuente: SANDVIK COROMANT.

No obstante, las mayores velocidades de avance pueden tener consecuencias negativas sobre la exactitud del perfil de la pieza.

Tanto para el fresado de contornos como en el de copiado, los modernos centros de mecanizado incluyen funciones de control anticipado, a fin de evitar desviaciones del recorrido de la herramienta. Con estas funciones, el control prevé el recorrido a realizar y establece las correcciones oportunas con antelación. Lógicamente solo es aplicable en máquinas con CNC con capacidad suficiente de cálculo.

En cualquier caso, resulta evidente que la programación puramente manual sería compleja. Los modernos sistemas CAD-CAM ofrecen estrategias destinadas a evitar las posibles colisiones de herramienta y portaherramientas con la pieza, inclinando el husillo o la mesa –según la máquina- para alejar la herramienta de las zonas de colisión potencial y reorientarla adecuadamente.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.1.4.  Otras estrategias de fresado Como podemos imaginar, existen operaciones puntuales que se añadirían a las principales, ya descritas. Un ejemplo típico sería la realización de achaflanados de aristas. No deberemos confundir la operación de avellanado de las bocas de los agujeros con el achaflanado de las aristas. El avellanado de los agujeros se tratará en la Unidad 6. En este caso estamos tratando el rebaje oblicuo que conocemos como chaflán, y que se realiza con el mismo fin que el avellanado: favorecer la inserción de otros elementos mecánicos, y eliminar aristas vivas y rebarbar que eviten cortes en el manipulador de la pieza.

Figura 5.62.  Achaflanados exteriores e interiores con diferentes fresas de plaquitas intercambiables. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Sin embargo, la utilización de fresadoras y centro de mecanizado de gran potencia y capaces de alcanzar grandes velocidades, unidos a una electrónica capaz de gestionar los datos de manera más rápida y eficaz, hace que se hayan ido imponiendo nuevas estrategias de mecanizado aplicables en casos concretos. Comentaremos a continuación dos de los más significativos por su originalidad.

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Teoría de mecanizado

5.1.4.1.  Fresado “plunge” El fresado en plunge constituye una alternativa interesante cuando se desea desbastar oquedades cerradas especialmente profundas.

Figura 5.63.  Fresado en plunge. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Consiste en una especie de taladrado sucesivo, por lo que resulta un método interesante cuando no se puede utilizar fresado con movimientos en el plano XY (movimientos radiales) debidos a los largos voladizos y grandes profundidades a alcanzar, y por tanto una elevada vibración. Suele emplearse cuando el voladizo de la herramienta es superior a cuatro veces su diámetro.

Por ejemplo, una fresa de diámetro 16, se utilizará cuando el voladizo de la misma sea superior a 64 mm.

El consumo de potencia y el ruido son reducidos. Gracias precisamente a que no hay esfuerzos radiales (al ser los desplazamientos solo de taladrado) y el consumo reducido de potencia, es un método utilizable en fresadoras y centros de mecanizado lentos pero lo suficientemente rígidos. Las penetraciones en rampa comentadas anteriormente son más propias de máquinas de alta velocidad.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Entre taladrado y taladrado, la herramienta se desplaza en vacío el 75% del diámetro que posea.

Por ejemplo, una fresa de diámetro 16, tras taladrar y retroceder hasta salir por encima de la superficie, se desplazará 12 mm hasta el siguiente punto de penetración.

No obstante, en condiciones normales el fresado en plunge no debe considerarse primera elección al arrancarse menor cantidad de viruta.​Otra desventaja es que se trata de una operación de desbaste, por lo que se precisará un posterior acabado mediante una operación de escuadrado con fresa convencional. La evacuación de la viruta también es un aspecto problemático, ya que la propia herramienta tienda a obstruir el agujero que está realizando y tapar la salida de la viruta.

5.1.4.2.  Fresado trocoidal El fresado trocoidal se utiliza para la mecanización de ranuras abiertas, mediante unos complejos movimientos circulares constantes que terminan proporcionando a la ranura el ancho deseado. De este modo puede mecanizarse una ranura más ancha que el diámetro de la herramienta, pudiéndose utilizar una herramienta de un único diámetro para varios anchos de ranura.

Figura 5.64.  Fresado trocoidal. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

Se trata de una manera mucho más eficiente de generar ranuras en comparación a la entrada directa desde el exterior (ranurado convencional), pudiéndose cortar con mayores velocidades de corte y avances. La anchura de la ranura debe ser un 70% como máximo del diámetro de la fresa. El mecanizado trocoidal fue desarrollado para la generación de ranuras en las fresadoras y centros de mecanizado MAV (mecanizado de alta velocidad). Los software de CADCAM suelen incluir ya este modo de operación como una alternativa más, dada la complejidad de su programación. Como ventajas, destaca la generación de bajas fuerzas de corte radiales y menores vibraciones, evacuación de viruta buena y generación de calor más reducida.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.2.  Tiempos de mecanizado en el fresado Hemos de recordar que bajo el concepto de fresado se encuentran operaciones de diversa naturaleza y que se trabaja con herramientas de muy diferentes diámetros. Evidentemente, el rendimiento de una operación de contorneado final de una pieza con una herramienta de diámetro 10 milímetros no puede ser igual al de una operación de planeado realizada con un gran plato de desbaste de 250 milímetros. No obstante, en líneas generales ha de seguirse los criterios que expondremos a continuación.

En cualquier caso, a los tiempos invertidos en cada uno de los desplazamientos de mecanizado, habrá que incorporar el tiempo de retroceso y reposicionado de la herramienta. Al tiempo de la operación desarrollada por cada herramienta, además, habrá que incluir el tiempo del cambio de la misma y las aproximaciones al punto de cambio. Evidentemente, estos tiempos son muchísimos menores en máquinas CNC que de accionamiento manual.

En primer lugar ha de calcularse el avance de la herramienta expresado en milímetros/ minuto, si es que no disponíamos de dicho dato expresado en tales unidades.

F = Fz × z × n

Donde: F

Avance en milímetros por minuto.

Fz

Avance en milímetros por diente de la fresa.

z

Número de dientes de la fresa.

n

Número de revoluciones por minuto (RPM).

A continuación se calcula el tiempo de mecanizado en función de los siguientes parámetros que se exponen.

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Teoría de mecanizado

t=

L F

Donde:

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t

Tiempo de mecanizado, en minutos.

l

Longitud mecanizable, en milímetros.

L

Longitud de mecanizado más distancia de acercamiento (d) y diámetro de la herramienta (dos veces radio de la herramienta). En milímetros.

F

Avance en milímetros por minuto.

5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

5.3.  Utillajes de amarre Aunque lo cierto es que se trata de un tema que –sin duda- podría ser objeto de un tema aparte por sí solo, la infinidad de sistemas de sujeción empleados y, sobre todo, la inventiva que demuestra cada taller para la sujeción de piezas para su mecanizado hace que únicamente podamos adquirir una serie de conocimientos básicos pero imprescindibles para saber desenvolverse en este área.

5.3.1.  El concepto de utillaje Como indica el enunciado, el utillaje como tal debe entenderse como cualquier artificio mecánico que haya sido diseñado específicamente para la sujeción de piezas, concretamente para su mecanizado en el tema que nos ocupa. Suelen realizarse mediante el mecanizado una estructura de sujeción a la que se le incorporan diferentes elementos comerciales normalizados. Evidentemente, no siempre resulta necesario recurrir a la construcción de tales artificios, sino que en muchas ocasiones basta con sujetar la pieza a tornear con las garras del plato o la pieza a fresar con una simple mordaza o elementos de sujeción comerciales. Pueden ser puramente mecánicos o incluir elementos añadidos de sujeción de carácter neumático, hidráulico o incluso electromagnético.

Ya que la diversidad de piezas a sujetar es apabullante y que los sistemas diseñados dependen en gran medida de las necesidades particulares o la inventiva demostrada en cada taller, nos limitarnos a incluir una serie de ejemplos gráficos de sujeción de piezas de diversa índole.

Figura 5.65.  Colector amarrado mediante diferentes útiles de sujeción. Fuente: AMFO

Simplemente téngase en cuenta que habrá piezas que demostrarán una especial dificultad para ser amarradas en condiciones de estabilidad mínima, especialmente cuerpos complejos (con pocas superficies planas) y cuerpos de fundición. De todos modos, han de considerarse una serie de principios para la sujeción de pieza que pasamos a resumir a continuación: ■■ Asegurar una inmovilización total de la pieza a mecanizar. ■■ Asegurar que la pieza en bruto puede ser mecanizada hasta una fase donde hayan sido terminadas una serie de superficies que sirvan de apoyo en un posterior montaje.

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Teoría de mecanizado

■■ Evitar la posibilidad de movimiento de la pieza durante la fase de mecanizado, a pesar de las vibraciones, deformaciones o las distintas fuerzas de corte que puedan generarse. Hacer uso de diferentes elementos mecánicos que actúen como tope o como elementos de amarre. ■■ Evitar que los propios elementos integrantes del utillaje o los elementos de sujección comerciales trabajen por encima de sus posbilidades, deformándose y haciendo peligrar la correcta posición y estabilidad de la pieza. ■■ Intentar realizar una construcción lo más económica y ligera posible, siempre respetando unos criterios de seguridad básica imprescindible. ■■ Asegurar un montaje y desmiontaje lo más rápido posible, pero intentando minimizar al máximo los riesgos de accidente durante la manipulación de la pieza.

5.3.2.  Elementos de amarre Para la gran mayoría de operaciones de torneado, la sujeción mediante el plato del torno o pinzas resulta suficiente, limitándose los trabajos de preparación a realizar a mecanizar las garras de dichos platos para adaptarse al perfil de las piezas (debe distinguirse entre las denominadas “garras duras” y las denominadas “garras blandas”, siendo éstas últimas ideales para tal fin).

No obstante, la complejidad de ciertas piezas puede hacer necesario el uso de platos especiales o la creación de algún utillaje.

Figura 5.66.  Plato especial. Fuente: RÖHM.

Sin embargo, para las operaciones de taladrado y fresado la sujeción de la pieza se complica con mayor frecuencia. No insistiremos por el momento en elementos de sobra conocidos y ampliamente utilizados para la sujeción eficiente de piezas sencillas (mordazas y platos de amarre manuales, o preferiblemente de accionamiento neumático o hidráulico, fácilmente automatizables).

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.67.  Mordaza hidráulica de alta presión para amarre rápido. Fuente: ARNOLD.

Citaremos a continuación algunos de los diferentes elementos comerciales de sujeción más conocidos, utilizados también profusamente para la personalización de las sujeciones.

Figura 5.68.  Utillaje para sujeción de pieza fundición. La sujeción se efectúa mediante diferentes elementos normalizados que comentaremos. Fuente: MEKIFASA.

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Teoría de mecanizado

Las dimensiones de dichos elementos suelen estar normalizadas, sobre todo en lo referente a la forma y dimensiones de la cabeza de los tornillos destinadas a alojarse en las guías de las mesas de las fresadoras y taladradoras.

Bridas sencillas ajustables Elemento de amarre constituido generalmente por la brida propiamente dicha, un tornillo de posicionamiento y un tornillo de apoyo para regular la altura de amarre. El tornillo de posicionamiento posee una cabeza diseñada para su alojamiento en las ranuras en forma de T invertida de las que disponen las mesas de la fresadoras y taladradoras. La brida puede ser plana o estar acodada para facilitar el amarre de ciertas piezas.

Figura 5.70.  Brida simple acodada. Fuente: NORELEM.

Figura 5.69.  Montaje de brida simple acodada, con calzo y tornillo para apoyo y regulación de la altura. Fuente: NORELEM.

Bridas de horquilla Las bridas de horquilla se distinguen de las anteriores por estar ranuradas a lo largo de su eje principal, a fin de facilitar el desplazamiento y posterior posicionado del tornillo de posicionamiento. Figura 5.71.  Brida de horquilla achaflanada. Fuente: Amfo.

Bridas de dentado escalonado Poseen un fresado progresivo en uno de sus extremos, a modo de escalones, por lo que solo son válidas para utilizar con los calzos o bloques escalonados que se describirán a continuación.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Poseen la ventaja de poder realizar la regulación en altura fácil e intuitivamente, aunque los calzos variables pueden sustituirlos con ventaja en caso de necesitar una mayor precisión. Figura 5.71.  Brida de dentado escalonado. Fuente: FORUM.

Bridas de amarre rápido Actúan a modo de palancas, lo que les confiere una rapidez de amarre sumamente extrema. Suelen utilizarse para la sujeción de chapas, cuando se realizan sobre ellas trabajos de soldadura, plegados ligeros, taladrado, etc.

Figura 5.72.  Bridas de amarre rápido. Fuente: BESSEY.

Mordazas de fijación rápida En realidad se trata de estructuras formadas por dos elementos, donde uno de ellos se desplaza oblicuamente respecto al otro gracias a un tornillo de regulación y se consigue una considerable fuerza de apriete por efecto de cuña. La pieza que permanece inmóvil se fija a la mesa, habitualmente mediante espárragos y tuercas en forma de T. También las hay con otros sistemas basados en la acción excéntrica del elemento que efectúa el apriete. Figura 5.73.  Mordaza de fijación rápida. Fuente: INDEXA.

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Teoría de mecanizado

Espárragos, tornillos y tuercas en forma de T Este tipo de elementos actúan ubicándolos sobre las ranuras en forma de T invertida de las que disponen las mesas de fresadoras y taladradoras (observar con detenimiento las fotografías de la mesa insertada en el apartado de descripción de la fresadora)

Pueden establecer un gran número de combinaciones con estos y otros tipos de elementos para forzar la sujeción de la pieza (por lo general sirven de apoyo regulable para las bridas comentadas). Figura 5.74.  Brida acodada con tornillo-tuerca para regulación y apoyo. Fuente: FORUM.

Calzos y bloques escalonados Están provistos de un dentado en escalera, y pueden encontrarse con diferente medida y número de escalones, según necesidades. Al igual que las bridas con dentado escalonado, también poseen la ventaja de poder realizar la regulación de manera fácil e intuitiva.

Figura 5.75.  Calzo escalonado. Fuente: AMFO.

Figura 5.76.  Calzos de dentado escalonado. Fuente: UTILNORM.

Calzos de altura regulable Los calzos de altura regulable suelen poseer un cuerpo cilíndrico, con un husillo y una placa superior regulable en altura donde apoya la superficie del elemento a sujetar. Generalmente, la superficie de apoyo superior puede adquirirse plana, en forma de V, con pivote para centrajes o poseer forma semiesférica, para poder servir de apoyo estable con superficies curvadas.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

Figura 5.77.  Calzo de altura regulable. Fuente: UTILNORM.

Actúan, por tanto, como elemento de apoyo y no como elemento tensor. Lógicamente existe una gran variedad de elementos de sujeción que no se han incluido aquí, pero con esta lista hemos conseguido hacer un breve resumen de los elementos estándar más comúnmente empleados.

Torres de mecanizado Se trata de cuerpos realizados en acero o fundición gris, provistos de una serie de alojamientos para la sujeción de piezas o accesorios individuales de fijación. Existen en forma de cubo, de paralelepípedo, a escuadra, etc. Igualmente, la disposición y la forma concreta de amarre puede hacer que su nombre varíe.

Figura 5.78.  Escuadra de fijación. Fuente: HALDER.

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Teoría de mecanizado

En cualquier caso, el objetivo de estos dispositivos es conseguir la fijación rápida y simultánea de varias piezas. Existen de muchos tamaños y calidades, pero en general todos se caracterizan por poseer dichos alojamientos a unas distancias predefinidas que ayudan a posicionar fácilmente las piezas y facilitan enormemente la programación de las máquinas CNC al conocerse con exactitud el lugar de posicionado. Además, al posicionarse sobre las mesas giratorias programables de los centros de mecanizado, permiten en las producciones en serie el posicionado rápido de las piezas amarradas respecto a la herramienta. En estas imágenes podemos ver una torre de mecanizado, antes y después de la colocación de varias mordazas para amarre rápido. La rotación de la torre hará que las piezas sujetadas puedan ser enfrentadas a la herramienta.

Figura 5.79.  Torre de mecanizado, sin fijaciones incorpo- Figura 5.80.  Torre de mecanizado, con varias mordazas de amarre rápido fijadas. Fuente: LANG. radas. Fuente: LANG.

Figura 5.81.  Torre de mecanizado formada por mordazas automatizadas dispuestas verticalmente. Fuente: ARNOLD.

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5. Operaciones de mecanizado en la fresadora

RESUMEN ■ ■ ■ ■ ■

El fresado es una operación de mecanizado mediante arranque de viruta ampliamente utilizada. Las operaciones básicas de fresado consisten en el planeado, escuadrado, ranurado, cajeados y mecanizado de superficies complejos. Además de las operaciones básicas anteriores, existen otras operaciones específicas como el fresado en plonge, el fresado trocoidal, etc. En fresadoras y centros de mecanizados pueden no obstante realizase más operaciones, realizables también en otras máquinas, como taladrado, roscado, escariado, etc. El cálculo de los tiempos de mecanizado se basa en los espacios recorridos por unidad de tiempo. Se calculan teniendo en cuenta la distancia a recorrer durante el mecanizado más las correspondientes distancias de seguridad, acercamiento, tiempos de retroceso hasta el punto de siguiente, etc.

■

El utillaje es un artificio mecánico diseñado específicamente para la sujeción de piezas, para su mecanizado o verificación. Suelen realizarse mediante el mecanizado una estructura de sujeción a la que se le incorporan diferentes elementos comerciales normalizados.

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6 UNIDAD DIDÁCTICA

6

Teoría de mecanizado

6.  Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

ÍNDICE OBJETIVOS................................................................................................................................................................ 357 INTRODUCCIÓN....................................................................................................................................................... 358 6.1.  Operaciones básicas de taladrado y afines ...................................................................................................... 359 6.2.  El Taladrado......................................................................................................................................................... 360 6.2.1.  La operación de taladrado.................................................................................................................................... 361 6.2.2.  Los tipos de brocas............................................................................................................................................. 362 6.2.3.  Los datos de corte.............................................................................................................................................. 368 6.2.4.  Otras operaciones afines...................................................................................................................................... 368 6.2.5.  Tiempos de mecanizado en el taladrado................................................................................................................. 376 6.3.  El escariado......................................................................................................................................................... 378 6.3.1.  La orientación de los filos..................................................................................................................................... 380 6.3.2.  Tipos de escariadores.......................................................................................................................................... 380 6.4.  El roscado............................................................................................................................................................ 384 6.4.1.  El roscado mediante machos y terrajas (por arranque de viruta).................................................................................. 384 6.4.2.  El roscado mediante machos de laminación............................................................................................................ 391 6.4.3.  El roscado mediante fresa de roscar...................................................................................................................... 393 6.5.  El mandrinado..................................................................................................................................................... 396 6.5.1.  El proceso de mandrinado.................................................................................................................................... 396 6.5.2.  Mandrinado o fresado en espiral............................................................................................................................ 399

RESUMEN................................................................................................................................................................... 403

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

OBJETIVOS ■ ■ ■

Conocer las principales operaciones de taladrado, escariado, mandrinado y roscado con macho y fresado. Asociar dichas operaciones a las herramientas y datos de corte oportunos. Habituarse al léxico empleado habitualmente dentro de esta área.

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Teoría de mecanizado

INTRODUCCIÓN

Tras haber estudiado en las dos unidades anteriores los principales procesos de mecanizado realizables en un tornos, fresadoras y centros de mecanizado, ha llegado el momento de conocer las operaciones de fresado.

Entre todo ello, incluiremos y detallaremos operaciones como el punteado, el refrentado, el avellanado, el mandrinado, el escariado y el roscado de agujeros. Dada la importancia de estas operaciones en particular, se las englobará diferenciadamente en cuanto a su Estas operaciones son realizables en tornos y clasificación en el índice de contenidos. fresadoras, por supuesto, pero sin embargo hemos Como es de suponer, al igual que en unidades optado por dejar para una unidad aparte, en lo que temáticas anteriores, intentaremos acostumbrarnos al hemos denominado procesos de taladrado y afines. léxico identificativo de cada una de estas operaciones.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

6.1.  Operaciones básicas de taladrado y afines Tal y como hemos avanzado en la introducción, las operaciones que vamos a describir se realizan en tornos, fresadoras y centros de mecanizado. Es cierto que las mandrinadoras se citan como máquinas diferentes, pero hoy día las mandrinadoras gobernadas mediante un CNC y dotadas de cambiador de herramienta, mesas giratorias, etc... poco se diferencian de los grandes centros de mecanizado, salvo por el tipo de piezas que suelen trabajar y el porcentaje de operaciones especializadas realizadas. Por su importancia, se ha optado por dejar en una unidad aparte aquellas operaciones relacionadas con el taladrado. Todas estas operaciones tienen en común que se únicamente se realiza un desplazamiento axial (en el eje Z), a excepción claro está de la operación del fresado de roscas. En realidad, esta definición resulta ambigua, ya que se van a tratar todos aquellos procesos que inciden en la terminación adecuada de un orificio circular (según los requisitos del plano). Entre ello podemos incluir operaciones como: ■■ El taladrado propiamente dicho: consistente en la generación de una oquedad de sección circular que conocemos como taladro generalmente. ■■ El punteado previo: consistente en un pequeño taladrado previo al trabajo con brocas estándar, necesario para que éstas entren guiadas. Se explicará como una operación ligada directamente al taladrado. ■■ El avellanado de la boca del agujero: consistente en darle conicidad a la boca del taladro, para favorecer los alojamientos de tornillería, la entrada de los machos de roscar y evitar peligrosas aristas vivas. Se explicará como una operación ligada directamente al taladrado. ■■ El refrentado de la boca del agujero: consistente en un recrecimiento de la boca del taladro, con la generación de un fondo plano. Se explicará como una operación ligada directamente al taladrado. ■■ El escariado: consistente en conferir al orificio un acabado superficial esmerado de sus paredes y unas dimensiones concretas. ■■ El roscado: consistente en el tallado de una rosca, bien sea mediante machos de roscar o fresas de roscar. ■■ El mandrinado: consistente en un recrecido del diámetro de un orificio previo, mediante operaciones de desbaste y/o acabado. Utilizado por lo general para medios y grandes diámetros. También se ha preferido en considerar las tres últimas operaciones completamente independientes cara a su explicación, asignándole el correspondiente capítulo a cada una.

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Teoría de mecanizado

6.2.  El Taladrado El taladrado en una operación consistente en realizar agujeros circulares en una pieza, con una herramienta denominada broca. Existen máquinas específicas de taladrar, que identificaremos taladradoras. Las taladradoras de accionamiento manual son más habituales que las gobernadas por CNC, siendo de pequeño o mediano tamaño, soliendo representar unas máquinas secundarias en los talleres: ya se trataron en la Unidad 1 convenientemente.

Figura 6.1.  Taladro de sobremesa. Fuente: ERLO.

Figura 6.2.  Taladro radial. Fuente: FAMA.

Sin embargo, las operaciones de taladrado, escariado, roscado, etc... forman parte del complejo tramado del mecanizado de una pieza realizado en tornos y fresadoras. Trataremos estas operaciones como una parte más del proceso de fabricación de una pieza.

Figura 6.3.  Taladrado de perfil en máquina CNC. Fuente: VERNET BEHRINGER.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Como ya sabemos, la broca, que se colocará en la correspondiente máquinaherramienta, penetrará la pieza mientras gira hasta alcanzar la profundidad deseada. Estos son por consiguiente los movimientos que definen la operación: ■■ Un movimiento de giro, a unas RPM constantes, denominado el movimiento de corte. ■■ Un movimiento de avance lineal, expresado generalmente en milímetros por minuto. El eje de la broca coincide con el eje principal de la máquina, por lo que el avance se efectúa en dirección perpendicular al plano donde se desea taladrar.

6.2.1.  La operación de taladrado El taladrado no es una operación especialmente compleja, excepto en la evacuación adecuada de la viruta o cuando las longitudes son muy profundas. No obstante, hay una serie de pautas a seguir para garantizar el éxito de la operación: ■■ Elegir la broca apropiada para la aplicación, en función de diferentes aspectos como el material a mecanizar, la potencia y la rigidez del husillo de la máquina, el refrigerante, etc. Los rodamientos axiales y radiales que soportan el husillo han de estar en buenas condiciones, para evitar que eje de rotación se desvíe. ■■ También es muy importante fijarnos en la tolerancia, la longitud y el diámetro deseados para el agujero. ■■ Sujeción correcta de la broca, algo especialmente importante en el amarre de brocas pequeñas mediante los típicos portabrocas de tres garras, donde la broca puede resbalar. ■■ Escoger los refrigerantes y lubricantes adecuados y con abundante suministro, según la operación específica a realizar. Las taladrinas y los aceites sulfurados son suficientes para casi todos los metales, aunque algunos materiales duros como el hierro fundido se taladran en seco o con aceites minerales en grandes cantidades. Las máquinas-herramientas que permiten el suministro de refrigerante a alta presión a la punta de la broca, son idóneas para una buena refrigeración y una correcta evacuación de la viruta, al arrastrarse ésta más fácilmente al exterior. ■■ Además de disminuir la temperatura en el filo, evita que los restos de metal se adhieran al fondo de la hélice, que en los materiales de bajo punto de fusión podrían llegar a fundirse, provocando un atascamiento y la posterior ruptura de la broca. ■■ Dar un tiempo de recuperación de la temperatura ordinaria, aunque la retirada de la broca mientras sigue fluyendo el refrigerante suele ser suficiente en este aspecto.

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Teoría de mecanizado

■■ En el caso de las brocas enterizas, reafilar cuidadosamente la broca, con la geometría y ángulo de la punta adecuados.

La viruta es un factor importantísimo en el taladrado, al afectar a la calidad del agujero y la vida de la broca. Una adecuada evacuación de la viruta se reconoce cuando el sonido es uniforme, sin intermitencias, y si la potencia indicada por la máquina no se incrementa significativamente. Las virutas deben ser preferiblemente cortas, pero las largas y dobladas indican un atasco (el atasco es detectable observando después la superficie del taladro, que será basta e irregular.

6.2.2.  Los tipos de brocas Para el taladrado, existen tres tipos de brocas básicas disponibles en cuanto a su construcción: 1. Brocas enterizas de acero rápido HSS o de metal duro. 2. Brocas de punta soldada. 3. Brocas de punta intercambiable. 4. Brocas de plaquitas intercambiables.

6.2.2.1.  Brocas enterizas Se trata de las típicas brocas helicoidales, constituidas por un un vástago para su sujeción en el portabrocas y una zona de corte, formada por una sección helicoidal y la correspondiente punta (generalmente de dos filos). Los vástagos pueden ser cilíndricos o Morse: estos últimos exigen su sujeción en los correspondientes conos con alojamiento hembra Morse. Estas brocas enterizas pueden estar fabricadas en acero rápido HSS o extrarrápido HHSE, o en metal duro. Existen para aplicaciones muy concretas, como las destinadas por ejemplo al trabajo de madera, plásticos u hormigón, aunque en esta unidad nos centraremos en las del trabajo del metal.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

A continuación mostraremos las partes más relevantes de las mismas:

Figura 6.4.  Partes de una broca enteriza. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Aunque 118º es considerado el ángulo de afilado estándar de dicha punta para brocas de acero rápido, lo cierto es que puede variar hasta un máximo de 140º en función del material de la herramienta y a mecanizar.

Figura 6.5.  Ángulo de punta de la broca. Fuente: DORMER.

El ángulo de la punta influye en el esfuerzo de penetración y torsión, y también en el largo del corte y en el grosor de la viruta. Los afilados de punta con ángulos inferiores a los 118º de referencia (por ejemplo 90º), suelen utilizarse con materiales a taladrar blandos, mientras que los más grandes (hasta un máximo de 140º), se destinan a materiales duros y a prevenir las desviaciones de la broca en casos difíciles. El helicoide permite la evacuación de la viruta que se forma, ascendiendo desde el punto de corte hasta el exterior. El ángulo y el paso de la hélice también es determinante para la aplicación a la que va destinada la broca y la formación de viruta –la variedad existente en las combinaciones excede las pretensiones de esta unidad-.

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Teoría de mecanizado

Las brocas enterizas de acero rápido En cuanto al material de fabricación, existen diferentes calidades de brocas de acero rápido (HSS): ■■ Brocas de acero rápido HSS: son las de uso general, pero actualmente tienen poco empleo en taller por su exigua vida útil. ■■ Brocas de acero extrarrápido HSS-E con 5% de cobalto (Co): son las utilizadas habitualmente en taller para aplicaciones genéricas por su buena relación calidad-precio. El cobalto ayuda a soportar mayores temperaturas en el filo e incrementar así la capacidad de corte sin ver mermadas sus propiedades. ■■ Brocas de acero extrarrápido HSS-E con 8% de cobalto (Co): se utilizan en taller para el taladrado de materiales difíciles de mecanizar y en grandes producciones. ■■ Brocas de acero rápido HSS-PM (pulvimetalúrgico): para una alta productividad, combina el rendimiento del metal duro con la tenacidad del acero rápido. ■■ Brocas de acero rápido HSS con recubrimiento: el más empleado es el TiN o nitruro de titanio, que les confiere su típico color dorado. No obstante, hay muchas otros recubrimientos para aplicaciones específicas. Una importante ventaja es que las brocas de acero rápido se fabrican en numerosos diámetros, que oscilan entre 0,05 mm hasta 80 mm aproximadamente, un precio razonable. No olvidemos que las brocas enterizas de metal duro de grandes diámetros, tendrán un coste elevadísimo. El grado de precisión a la hora de realizar agujeros puede ser no suficiente para algunas aplicaciones exigentes, aunque va aumentando conforme se trabaja con geometrías y recubrimiento más estudiados. Así, una broca estándar trabajará un tamaño de agujero con una tolerancia de hasta H12. Sin embargo, con una broca más evolucionada y en las condiciones adecuadas, puede alcanzarse tolerancias entre H10 y H8. Para precisión en la medida y calidades superiores hay que recurrir al escariado, pero puede considerarse calidad buena para lo que es un taladrado. Como desventaja citaremos que las brocas de acero rápido se verán limitadas cuando la profundidad del agujero sea elevada (especialmente cuando además el diámetro del agujero sea pequeño), así como su rendimiento.

Las brocas enterizas de metal duro Potencialmente, el metal duro es un material superior al acero rápido, por lo que podemos considerar una primera ventaja un incremento notable en las capacidades de corte (tanto en velocidad de corte como en avance). Además, pueden lograr con agujeros pequeños avances más elevados y mejores acabados que con las brocas de plaquitas intercambiables de metal duro. Igualmente, pueden constar de recubrimientos para mejorar sus propiedades.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

A pesar de su precio más elevado, evidentemente su uso quedará justificado en producción de grandes series y/o materiales especialmente difíciles, sobre todo por su dureza. Con las brocas más evolucionadas y con recubrimientos adecuados, puede alcanzarse tolerancias entre H8 y H9. Sin embargo, y sin entrar en las consideraciones de un precio elevado, como desventaja cabe citar la menor tenacidad respecto a las brocas anteriores. Por ello resultan más sensibles a las desviaciones del eje, siendo más fácil su rotura por esa falta de flexibilidad, más típica de los aceros rápidos. En el taladrado, especialmente con las brocas enterizas de metal duro, es vital asegurar una excentricidad mínima de la herramienta. El experto fabricante Sandvik Coromant recomienda no sobrepasar un valor máximo de 0.02 / 0.03 mm para la broca y el portabrocas.

Figura 6.6.  Broca enteriza de metal duro con mango cilíndri- Figura 6.7.  Broca enteriza de HSS con mango Morse. Fuente: co. Fuente: KLH. MAKINA TAKIM ENDÜSTRISI.

6.2.2.2.  Brocas de punta soldada Estas brocas disponen de un cuerpo de acero en cuyo extremo se suelda una plaquita de metal duro.

Figura 6.8.  Broca de punta soldada. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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Teoría de mecanizado

La oferta de este tipo de brocas es muy variada en cuanto a las calidades. Las más económicas e incluso soldadas en los propios talleres, no poseen por lo general sin recubrimiento, lo que no les permite trabajar a velocidades de corte tan altas como las que describiremos a continuación. Existen brocas no obstante de alta calidad, de uso en máquinas CNC. Sin embargo, siguen siendo una muy buena opción en el taladrado de piezas en tareas de mantenimiento o producción unitaria con máquinas de accionamiento manual (fresadoras universales). La tenacidad del cuerpo de acero, hace que mantengan cierta flexibilidad, por lo que son muy buena opción en mecanizados problemáticos (por ejemplo taladrados en superficies curvas o irregulares). No obstante, aunque su rendimiento es lógicamente superior a las de acero rápido, su uso se ha visto algo mermado en producción debido a que exigen también un afilado cuidadoso. La tolerancia del agujero alcanzable, con unas condiciones de corte adecuadas y un buen afilado, puede llegar a H9.

6.2.2.3.  Brocas de punta intercambiable De relativa reciente aparición, este tipo de broca consiste en un cuerpo de acero en cuyo extremo se encaja una plaquita de metal duro con geometría de punta.

Figura 6.9.  Broca de cabeza intercambiable. Observar el ranurado especial para asegurar el posicionado de la punta de metal duro. Fuente: MAPAL.

Con objeto de asegurar un posicionamiento adecuado y sin desplazamientos indeseados, los fabricantes suelen incluir alguna geometría específica para la sujeción de dicha punta y/o sujeción por tornillo transversal.

Figura 6.10.  Sujeción de alta precisión entre cuerpo y punta, para mayor estabilidad y cambio rápido. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

La ventaja principal radica en ofrecer unas velocidades de corte y avances similares a las típicas brocas de dos plaquitas intercambiables, pero a un precio más favorable. El cambio de punta por parte del operario es realmente rápido (algo que no sucede con las puntas de metal duro soldadas), lo que junto con los buenos datos de corte, aseguran una productividad elevada. No obstante solo están disponibles para diámetro intermedios (hasta 25 mm aproximadamente), y garantizan calidades medias como H9 y H10, suficientes para muchas aplicaciones. Están normalmente reservadas para fresadoras y centros de mecanizado CNC, ya que las fresadoras de accionamiento manual suelen verse limitadas de potencia para el trabajo con estas herramientas.

6.2.2.4.  Brocas de plaquita intercambiable Las brocas de plaquitas intercambiables son ya de amplia utilización, aunque también se ven restringidas a su uso con fresadoras y centros de mecanizado CNC, dada la potencia necesaria para el trabajo con estas brocas. Constan de una plaquita periférica y otra central. En la fotografía puede verse la periférica en color gris, mientras que la central se intuye en la parte posterior en un color dorado.

Figura 6.11.  Broca de plaquitas intercambiables. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Los diámetros habituales oscilan entre los 16 y los 60 milímetros. Son la opción más interesante cuando se requiere que el fondo del taladro sea plano, así como para el mecanizado en plunge. Otra característica de estas brocas es la posibilidad de efectuar una interpolación helicoidal, donde la broca genera el agujero siguiendo una trayectoria circular al mismo tiempo que avanza en dirección axial. Se puede utilizar para remecanizar agujeros ya existentes y conseguir medidas concretas (con ciertas limitaciones, diferentes al diámetro de la broca).

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Teoría de mecanizado

Figura 6.12.  Interpolación circular con broca de plaquitas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

6.2.3.  Los datos de corte En realidad, las formulas a aplicar son las mismas que para el fresado. La velocidad de corte se corresponde a la velocidad periférica, es decir, la parte exterior de la misma (su diámetro), y se expresa en metros/minuto. En sus catálogos, los fabricantes dan en ocasiones directamente las RPM de giro de la broca, en función de su diámetro y el material a mecanizar. Sin embargo, en oras ocasiones (sobre todo cuando se trabaja con plaquita intercambiable), el fabricante opta por dar la velocidad de corte. En estos casos, recurriremos a la fórmula de la velocidad de corte vista en temas anteriores, para despejar y obtener las RPM de giro. Sin embargo, es importante destacar que los fabricantes ofrecen generalmente el avance en mm/vuelta, y no en mm/diente como era habitual en fresa. Por ello, habrá que prestar atención especial a no multiplicar por el número de filos de la broca.

6.2.4.  Otras operaciones afines En este apartado vamos a señalar tres operaciones típicas, que son el punteado previo, el refrentado y el avellanado cónico de la boca del agujero.

6.2.4.1.  El punteado Para penetrar en el material sin sufrir desviaciones, las brocas estándar necesitan de un pequeño orificio que les sirva de guía. Ese orificio se denomina punto de centrado, mientras que la broca destinada a realizarlo es la broca de centrado. Como ya se comentó, también se utiliza en el torno para sujetar las piezas largas mediante el contrapunto.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Las brocas de plaquitas intercambiables no precisan de centrado previo, lo cual supone una importante economía en tiempos de mecanizado. Resulta especialmente interesante evitar de este modo los cambios de herramienta (siempre fatigosos y con un incremento de tiempo que puede ser elevado). En series largas, se puede evitar el punteado con la utilización de una guía de taladrado, consistente en una simple pieza perforada con un agujero del mismo diámetro que se sitúa justo encima del punto a taladrar.

Existen dos brocas básicas: las que podríamos considerar clásicas, y las que son específicas para control numérico, denominadas brocas NC.

Brocas de centrar Suelen conocerse como las típicas que se ponen en el contrapunto del torno, para hacer un hoyete donde apoyar el punto o servir de guía a la siguiente broca. La broca más universal es la DIN333. Posee una punta propiamente dicha de taladrado en los extremos, y posteriormente una conicidad a 60º que, si se penetra lo suficiente con la broca, permitirá el avellanado cónico del hoyete realizado. El contrapunto del torno también posee 60º de punta. Tiene dos usos, ya que puede utilizarse por los dos extremos.

Figura 6.13.  Broca HSS para centrado DIN333A. Fuente: IZAR.

Las medidas están normalizadas. En esta tabla podemos ver dichas medidas para las brocas más utilizadas habitualmente: Diámetro d

Diámetro D

1

2,5

1,6

4

2,5

6,3

4

10

369

Teoría de mecanizado

Figura 6.14.  Dimensiones de una broca de centrado. Fuente: WNT.

Las podemos ver fabricadas en HSS (acero rápido), TIN (acero rápido pero con recubrimiento de titanio, algo más resistentes exteriormente) y MD (metal duro, es decir, carburos metálicos, con el doble o más de velocidad de corte). Pueden adquirirse con diferentes formas (A, B, C, R) de punta, para lograr dejar un hoyete en las piezas torneadas con un perfil concreto.

Figura 6.15.  Formas posibles de brocas de centrar.

370

6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

No olvidemos que, por ejemplo, en una operación de refrentado en torno la herramienta colisionaría inevitablemente al descender hacia el eje de revolución con el punto del torno. La forma B, por ejemplo, permitiría refrentar sin llegar a rozar el contrapunto del torno, obviamente calculando con mucha precisión el punto donde la herramienta habría de detenerse (consultando en el catálogo del fabricante las medidas de la broca, podría controlarse dicho posicionado).

Brocas NC Son mucho más robustas que las anteriores, al no presentar una punta fina. Al contrario, son de una construcción simple, pudiéndolas encontrar con punta afilada a 90º o a 120º.

Figura 6.16.  Broca NC. Fuente: WALTER.

Son las utilizadas generalmente en fresadoras y centros de mecanizado CNC para los punteados previos, gracias a su robustez y un precio económico, en cuanto es similar a las anteriores. Están fabricadas también en acero rápido o metal duro, con y sin recubrimiento.

6.2.4.2.  El refrentado Olvidándonos del concepto de refrentado en el torno (mecanizado de la cara frontal de la pieza), en esta ocasión entenderemos como refrentado el recrecimiento de la boca del taladro con la generación de un fondo plano. También se le conoce como operación de avellanado recto. La herramienta, denominada en ocasiones broca refrentadora, broca piloto, broca avellanadora plana, broca de pitón… incorpora en el extremo un piloto o espiga. Los diámetros de los recrecidos que generan están normalizados, ya que suelen estar destinados al alojamiento de tornillería, cuya cabeza del tornillo no se desea que sobresalga de la pieza (por ejemplo los clásicos tornillos de cabeza Allen DIN912).

Figura 6.17.  Broca HSS con piloto. Fuente: KARLEN.

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Teoría de mecanizado

Se requiere un taladro previo, de un diámetro ligeramente mayor que el del piloto, cuya misión precisamente es servir de guía a esta herramienta. Cuando la broca haya bajado hasta la Z correcta, habrá mecanizado una cajera de fondo plano para el alojamiento de cabezas de tornillos pasantes perfectamente centrada. Hay brocas que incorporan pilotos desmontables, en vez de fijos, más caras pero que posibilitan la adaptación de la broca a diferentes agujeros.

6.2.4.3.  El avellanado cónico En el avellanado de la boca de un agujero, se le confiere conicidad para favorecer los alojamientos de tornillería de cabeza cónica y la entrada de los machos de roscar. También se avellanan las bocas de los taladros para matar las aristas vivas, ya que incluso aunque un orificio esté destinado a alojar un tornillo Allen o similar, cuya cabeza quede en el exterior, es necesario para evitar que las rebarbas o virutas puedan impedir el asiento correcto de las arandelas.

Figura 6.18.  Avellanador cónico. Fuente: WURTH.

Es cierto que las virutas sobrantes pueden arrancarse del material con los rebarbadores, pero en este caso prolongarían innecesariamente los tiempos de finalización de la pieza.

Figura 6.19.  Rebarbador eliminando viruta. Fuente: ARSYSTEM.

Los ángulos de los avellanadores son de 60º y 90º, aunque también con otros ángulos. Suelen poseer tres, cuatro o cinco filos, y apenas presentan un cuerpo ya que su aplicación queda restringida al avellanado que se realiza con la cabeza. La velocidad de corte aplicada en el avellanado ha de ser lo suficientemente lenta para evitar que pueda vibrar la herramienta.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

ANEXO 1. Unidad 6

Un caso especial: las brocas bidiametrales La utilización de las denominadas bidiametrales puede resultar muy interesante, ya que gracias a su geometría son capaces de realizar dos operaciones de manera simultánea: el taladrado del agujero propiamente dicho, y el avellanado recto o cónico de la boca del mismo. Se fabrican en HSS o en metal duro, y encontraremos dos tipos diferenciados en cuanto a su aplicación: ■■ La realización de un taladro previo para un futuro roscado con macho, más el avellanado cónico a 90º de la boca para favorecer la penetración de dicho macho.

Figura 6.20.  Broca bidiametral HSS de 90º según DIN8374. Fuente: IZAR.

El diámetro será el adecuado, en función de la rosca a realizar más adelante. Por ejemplo, para roscados posteriores con un macho de métrica 8 mm, la punta taladrará a diámetro 6.8 mm.

Figura 6.21.  Cotas a considerar para avellanado a 90º. Fuente: IZAR.

■■ La realización de un taladro previo para un futuro tornillo pasante, más el avellanado recto de la boca para el alojamiento de la cabeza de dicho tornillo (generalmente tornillos Allen DIN912). Son denominadas brocas bidiametrales de 180º.

Figura 6.22.  Broca bidiametral HSS de 180º según DIN8376. Fuente: IZAR.

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Teoría de mecanizado

El diámetro será el adecuado, en función del tornillo pasante que atravesará el agujero más adelante. Por ejemplo, para tornillos pasantes de métrica 10 mm, la punta taladrará a diámetro 11 mm, realizando además un avellanado recto a diámetro 18 mm para alojar la cabeza.

Figura 6.23.  Cotas a considerar para avellanado a 180º. Fuente: IZAR.

Los dos tipos tienen una doble ventaja: el ahorro en tiempos de cambio de herramienta, y el aseguramiento de un centrado perfecto de los dos orificios realizados. El precio de estas brocas, muy elevado, suele quedar justificado sin embargo por los dos motivos citados. También es frecuente la realización de brocas bajo encargo capaces de efectuar varias operaciones simultáneamente, conforme la broca progresa en su penetración. En esta imagen podemos ver una broca bajo pedido para efectuar cuatro operaciones simultáneas (taladrado, avellanado cónico y dos avellanados rectos de diferentes diámetros), destinada a la industria de la automoción para minimizar tiempos de cambios de herramienta: FALTA Figura 6.24.  Broca múltiple, para cuatro operaciones del fabricante Iscar.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

6.2.4.4.  Las brocas multioperación Conocidas como Ecocut, estas brocas son de especial interés en tornos de decoletaje, ya que están capacitadas para la realización consecutiva (no simultánea) de taladrado, posteriores mandrinados e incluso mecanizado exteriores como refrentados y cilindrados.

Figura 6.25.  ECOCUT torneando interior y exteriormente. Fuente: TIZIT.

Suelen tener un tamaño pequeño, no obstante, lo que limita su aplicación fuera del mecanizado rápido en torno. Su precio es elevado, pero vuelve a estar justificado por la versatilidad de las operaciones y la eliminación de los cambios de herramienta. Exige su utilización en máquinas CNC, siendo su programación algo compleja, al precisar ser medida desde dos puntos diferentes. Veamos a continuación una posible secuencia realizable de operaciones:

Figura 6.26.  Operación 1: taladrado+ refrentado .

Figura 6.27.  Operación 2:mandrinado en desbaste.

Figura 6.28.  Operación 3: mandrinado en acabado.

Figura 6.29.  Operación 4:cilindrado.

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Teoría de mecanizado

6.2.5.  Tiempos de mecanizado en el taladrado El cálculo a realizar para el taladrado también es una operación relativamente sencilla. Aunque en el caso de trabajar con brocas de acero rápido o metal duro enterizas habría que considerar el diámetro de la broca y el ángulo de su punta, se trata de una distancia relativamente pequeña que apenas posee influencia en los tiempos totales de mecanizado.

t=

L f ×n

Donde: t

Tiempo de mecanizado, en minutos.

l

Longitud mecanizable, en milímetros.

L

Longitud de mecanizado más distancia de acercamiento y eliminación de rebarbas. En milímetros.

f

Avance en milímetros por revolución.

n

Número de revoluciones por minuto (RPM).

No debe olvidarse que pueden encontrarse brocas con diferentes ángulos de punta, aunque como dato orientativo consideraremos que el valor para una broca estándar enteriza se sitúa en 118º. Sin embargo, en la figura adjunta se ha optado por representar una broca provista de plaquitas de metal duro intercambiables, que a efectos prácticos debe considerarse como una broca plana.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Figura 6.30.  Pasada de cilindrado.

Figura 6.31.  Pasada de cilindrado. Fuente: SECO TOOL.

Calcular los tiempos de mecanizado para las operaciones de ranurados simples es sencillo, pudiendo establecerse una equivalencia con una operación de refrentado.

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Teoría de mecanizado

6.3.  El escariado El escariado en una operación de mecanizado que consisten en conferir al orificio un acabado superficial esmerado de sus paredes y unas dimensiones concretas. Antes de proceder al escariado, antes ha de taladrarse un agujero previo con una broca de diámetro ligeramente inferior, ya que el escariador no posee capacidad para perforar (únicamente recrece las paredes de dicho agujero previo).

Figura 6.32.  Escariador de mango cilíndrico. Fuente: IZAR.

Se efectúa a velocidades muy inferiores respecto al proceso de taladrado, y eliminando una cantidad de material muy pequeña (apenas unas décimas por lo general). Normalmente son capaces de dejar el agujero con una tolerancia H7, no alcanzable mediante un taladrado convencional. Por ejemplo, para escariar un agujero a diámetro 10 mm con tolerancia H7, se debe taladrar antes un agujero de 9.8 mm. ANEXO 2. Unidad 6 ¿Qué significa H7? El Comité Internacional de Normalización ISO fijó una serie de diámetros o dimensiones normalizadas a las que se aplican las tolerancias. La letra equivale a la posición, mientas que el número equivale a la calidad deseada para el agujero. En este caso, la letra H implica que la desviación de medida inferior es 0 mm, mientras que se admitirá una determinada desviación superior en función de la calidad. Una calidad 6 es más severa que una calidad 7, por lo que la desviación superior admitida será más ajustada. Las letras mayúsculas son para el agujero, las minúsculas para los ejes. Para conocer los valores concretos para cada diámetro, posición y calidad, acudir a las tablas de tolerancias ISO. Ejemplo: agujero 50 H7 Acudiendo a las tablas, comprobaríamos que para agujeros de diámetro 50 mm la desviación inferior admisible es 0, mientas que la desviación superior admisible es de 25 micras. Por tanto, los valores entre los que se dará el agujero por correctamente mecanizado en H7, será: ■■ Valor máximo admisible: 50,025 mm. ■■ Valor mínimo admisible: 50,000 mm. Por encima o debajo de estas medidas, el agujero se dará por no válido.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Es una operación frecuente, utilizándose por lo general un agujero escariado para el posicionado de piezas entre sí: la fijación física se realizará seguramente por tornillería, pero un pasador asegurará el posicionado de las piezas con gran precisión. En la representación de esta vista de alzado en corte de una matriz, vemos el pasador numerado con un “2” entre la sufridera y la placa base de la matriz: los dos pasadores visibles, resaltados en gris, tienen como misión asegurar el posicionado correcto entre esas dos piezas. Por consiguiente, los agujeros donde se insertan han de escariarse previamente en H7. El elemento numerado como “3” es la guía de la matriz, cuyos alojamientos también han de escariarse. Sin embargo, el elemento numerado con un “1” es sencillamente un tornillo Allen. Aunque también comparte las mismas piezas que el pasador “2”, su función es la unión mecánica de ambas piezas, pero no su posicionado exacto.

Figura 6.33.  Vista en corte de matriz.

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Teoría de mecanizado

6.3.1.  La orientación de los filos Hay diferentes formas de clasificación, pero nos atendremos a una bastante intuitiva. Puede llamarnos la atención la diferente orientación de los filos o estrías de los escariadores. Cada orientación se debe a una aplicación: ■■ Escariadores helicoidales con los filos a izquierdas: se utilizan para agujeros pasantes, a fin de que impulsen las virutas hacia delante y sean expulsadas fácilmente. Proporcionan agujeros de medidas muy precisas y buenos acabados, siendo la primera opción de uso. ■■ Escariadores helicoidales con los filos a derechas: se utilizan para agujeros ciegos, ya que arrastra las virutas hacia detrás, sacándolas por la boca del orificio. Como el escariador tiende a ser empujado fuera, necesitaremos realizar algo más de esfuerzo para hacerlo avanzar. ■■ Escariadores con los filos rectos: se utilizan con materiales fácilmente mecanizables como latón, bronce, etc. Debido a su proceso de fabricación, obviamente resultan los más económicos. Aunque pueden ofrecer buenos resultados en muchas ocasiones, dan medidas menos precisas que los escariadores helicoidales. Suelen ser de varios filos (ocho o más), evitándose no obstante un paso regular a fin de evitar que los filos copien los defectos y lograr así minimizar las vibraciones. Presentan menores dificultades a la hora del afilado, en comparación a los helicoidales. ■■ Escariadores cónicos: lógicamente, presentan cierta conicidad. Una aplicación típica es el escariado con conicidad de un agujero, para proceder en un futuro a introducir pasadores cónicos.

6.3.2.  Tipos de escariadores Hay diferentes formas de clasificación, pero nos atendremos a una bastante intuitiva. Como podremos ver, el escariado puede realizarse a mano o a máquina. Dentro de los escariadores de máquina, a su vez, existen diferentes tipos más o menos utilizados. En cualquier caso, todas estas herramientas son de elevada precisión.

6.3.2.1.  Escariadores de mano Para escariar un agujero puede recurrirse al escariador manual, empleándose para hacer girar el escariador manualmente un volteador o bandeador (el mismo utilizado para hacer girar los machos de roscar). Los escariadores manuales tienen para ello extremo de su mango con forma cuadrada. Los escariadores de mano suelen estar fabricados en acero rápido (HSS).

Figura 6.34.  Escariador de mano. Observar el extremo del mango con forma cuadrada para el amarre al volteador. Fuente:HOLEX.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Primeramente ha de taladrarse el agujero previo al escariado, con un diámetro ligeramente menor al del diámetro que se desea conseguir tras el escariado. El espesor de pared que quedará para el escariado suele oscilar entre 0.1 y 0.15 mm. 2. Tras colocarlo en el volteador, se situará el escariador encima de la boca del agujero, procurando siempre una posición totalmente vertical. Verter unas gotas de aceite de corte como lubricante.

3. A continuación ha de ejercerse una pequeña presión para que el escariador penetre ligeramente en el agujero, siempre totalmente centrado. Los escariadores de uso manual tienen en la cabeza una ligera conicidad para favorecer la entrada, como los machos de roscar, por lo que no cortan con el diámetro completo hasta haber penetrado unos milímetros.  4. Para proceder al escariado, ha de darse vueltas al escariador ejerciendo presión de una forma muy suave, y comprobándose siempre que queda perfectamente alineado con el eje del agujero. 5. Tras escariar el agujero, extraer el escariador girándolo en el mismo sentido (¡si se gira en el sentido contrario dañará el escariador!). A continuación limpiar el escariador muy cuidosamente, para eliminar los restos de viruta adherida al aceite de corte. El escariado a mano es un procedimiento extremadamente lento, requiriendo una gran minuciosidad por parte del operario para asegurar un correcto alineado y cierta fatiga por la fuerza que hay que ejercer. Por ello, siempre que sea posible se procurará realizar el escariado con máquina.

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Teoría de mecanizado

ANEXO 3. Unidad 6 Precisamente hay que prestar una especial atención al retemblado, un defecto habitual del escariado a mano al observarse unas rayas producidas por las vibraciones del escariador. Se produce por la variación periódica de los esfuerzos de corte (cuando el arranque del material se realiza de manera discontinua, por sucesivos choques). El motivo suele ser el utilizar escariadores de dientes rectos o con ángulos inadecuados para el material a trabajar, hacer girar el escariador a demasiada velocidad o bruscamente, o haber efectuado un taladrado previo demasiado pequeño (el escariador entre muy forzado).

6.3.2.2.  Escariadores de máquina Para el escariado mediante un escariado de máquina, puede resultar válido un torno, una taladradora, una fresadora, un centro de mecanizado o una mandrinadora. Lo ideal es que la máquina disponga de avance automático para asegurar la uniformidad del movimiento, ya que en caso contrario (algo frecuente en taladradoras sencillas, por ejemplo) será el operario quien tendrá que asegurar a ojo un avance continuado. Los escariadores de máquina pueden tener el mango cilíndrico o con conicidad, es decir, con cono tipo Morse (MT). Los de mango cónico permiten un ajuste realmente rápido y fiable, aunque resultan ligeramente más caros y se agarrotan con más facilidad (son delicados y exigen mucho control a la hora de elegir los avances).

Figura 6.35.  Escariador HSS de mango cilíndrico. Fuente: RE-AL Figura 6.36.  Escariador HSS de mango cónico. Fuente: RE-AL AG. AG.

Pueden estar fabricados en acero rápido (HSS), como sucedía con los manuales, pero para producción en serie se emplean de metal duro y diamante policristalino (PCD) cuando se desea combinar datos de corte mucho más elevados y durabilidad con las severas exigencias que se esperan del escariado.

Figura 6.37.  Escariador de diamante (PCD), para mecanizado de aluminio y metales no ferrosos. Fuente: PREZISS.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Figura 6.38.  Escariador PCD de alta precisión. Fuente: KOMET.

A su vez, los escariadores pueden ser enterizos (como los que hemos visto en las imágenes anteriores), o de de cabeza intercambiable. Estos últimos, cuando se dispone de la correspondiente selección de vástagos y cabezas de escariado, permiten al usuario trabajar una amplia variedad de tamaños de orificios y materiales con un mínimo de herramientas.

Figura 6.39.  Escariadores de cabeza intercambiable. Fuente: MARTIN CARRASCAL.

Además, algunas de estos escariadores son regulables por medio de tornillos de precisión, pudiéndose adecuar con extrema precisión a las tolerancias más ajustadas (escariadores de lamas ajustables y de expansión).

No debemos confundir los escariadores con las brocas escariadoras, cuya finalidad es simplemente agrandar agujeros y compensar los no concéntricos. Se consigue una precisión superior que con brocas convencionales (las cuales no son recomendables para agrandar los agujeros, ya que se despuntan por las aristas de corte). Es importante tener en cuenta estas consideraciones a la hora de adquirir una herramienta para el acabado de un agujero (para no confundir un escariador de mano, de máquina o una broca escariadora).

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Teoría de mecanizado

6.4.  El roscado Ya comentamos cuando vimos las operaciones de torneado, la parte teórica de aquellos conceptos que debíamos conocer sobre una rosca. Aunque podemos encontrar bastantes métodos para consumar una rosca hoy día, en el área que nos afecta –corte de metal- los métodos de roscado más habituales son los siguientes: 1. Torneado de roscas. 2. Roscado mediante machos y terrajas, mediante arranque de viruta. 3. Fresado de roscas. 4. Roscado por laminación. Lógicamente, la futura utilidad de la rosca realizada condiciona los requisitos de la misma y los procesos de fabricación.

A modo de ejemplo, no es lo mismo proceder al roscado de un husillo trapecial de acero aleado de una máquina-herramienta (que se efectuará en un torno, mediante arranque de viruta), que el roscado de un tornillo de carpintería de latón (que se realizará por laminación).

Dado que ya se trató el roscado en el torno anteriormente, pasaremos a describir el resto de los sistemas que nos interesan.

6.4.1.  El roscado mediante machos y terrajas (por arranque de viruta) Al igual que sucedía con el escariado, el proceso de roscado mediante machos y terrajas puede realizarse manualmente o mediante máquina. El macho es una herramienta de corte destinada al roscado de agujeros de pequeño diámetro, mientras que la terraja está destinada al roscado de ejes de también pequeño diámetro. El roscado a mano se lleva a cabo cuando las roscas no exigen mucha precisión y sobre todo en trabajos unitarios, ya que es una labor tediosa. En ocasiones, se utiliza para el repasado de los dientes dañados de una rosca previa. El roscado a máquina se efectúa en trabajos en serie o cuando se desean roscas de más precisión.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

6.4.1.1.  El roscado con macho El macho de roscar manual es una herramienta que recuerda a un tornillo, que sirve para el tallado de roscas interiores, es decir, agujeros. Está fabricado en acero rápido (antiguos F-551 ó F-552) y templado, para darle una mayor dureza superficial. Para la realización del roscado manualmente se utilizan dos o tres machos que han de irse introduciendo consecutivamente, en el orden correcto. Sin embargo, en el roscado mediante máquina-herramienta se utiliza un único macho para el roscado del agujero, denominado “macho máquina”. Los machos manuales poseen un mango formado por una cabeza cuadrangular y un cuello cilíndrico, tras el cual se sitúa el cuerpo propiamente dicho, con una entrada y una serie de ranuras o canales longitudinales característicos.

Figura 6.40.  Juego de machos HSS para roscar a mano. Fuente: RUKO.

Estos machos manuales van convenientemente marcados en el cuello mediante unas pequeñas ranuras que lo rodean, para ayudar al operario a recordar su orden de introducción. A continuación diferenciaremos los tres machos a introducir, en caso de necesitarse un juego compuesto por tres machos: ■■ Macho de preroscado o de iniciación: primer macho a introducir, marcado mediante una única ranura. Es de sección completamente cónica, y sirve para abrirle paso al segundo de los machos. ■■ Macho de desbaste: segundo macho a introducir, marcado mediante dos ranuras. Es cónico hasta la mitad del cuerpo. ■■ Macho de acabado: último macho a introducir, generalmente sin ranura (algunos fabricantes incluyen marcado mediante tres ranuras). Es de sección cilíndrica a excepción de una pequeña conicidad a la entrada, y sirve para dar el acabado final a la rosca.

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Teoría de mecanizado

Previamente ha de efectuarse un taladro con unas dimensiones inferiores a la de la rosca, para facilitar la penetración y posterior tallado de la rosca del macho.

Para calcular el diámetro de la broca con la que efectuar el taladro previo al roscado, se aplica la siguiente fórmula: Diámetro broca = diámetro de la rosca - paso de rosca  Veamos un ejemplo para el cálculo de la broca a utilizar para un roscado de métrica 10 mm, donde el paso o distancia entre dientes es de 1.5 mm. Si restamos ambos valores, veremos que la broca a utilizar será de diámetro 8.5 mm.

Como sucedía con el escariado, para girar los machos manualmente se utilizan los llamados volvedores o giramachos, que pueden ser fijos (con un simple alojamiento cuadrado para alojar la cabeza del macho) o regulables, en caso de necesitar aferrar cabezas cuadradas de diferente medida.

Los pasos a seguir son los siguientes: 1. Primeramente ha de marcarse el centro (golpeando con un granete o mejor con una broca de puntear), realizándose un pequeño hoyete. 2. Taladrar el agujero previo al roscado, con la broca del diámetro calculado. 3. Avellanar la boca del agujero, generalmente a 60º. 4. Tras colocarlo en el volteador, se situará el primer macho (el que está marcado con una única ranura) encima de la boca del agujero, procurando siempre una posición totalmente vertical. Verter unas gotas de aceite de corte como lubricante. 5. A continuación ha de ejercerse una pequeña presión para que el macho penetre en el agujero, siempre totalmente centrado. Para proceder al roscado, hay que efectuar un giro de media vuelta en sentido horario y después un cuarto de vuelta en sentido antihorario, para romper la viruta y que no se dañen los filos.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

6. Tras roscar el agujero, extraer este primer macho girando en dirección contraria (a efectos prácticos, desenroscando). 7. Una vez efectuado el desbaste con el primer macho, hay que pasar el segundo y tercer macho de igual modo. El roscado a mano es un procedimiento extremadamente lento (al tener que pasar tres machos y estar retrocediendo un poco tras cada giro para romper la viruta), requiriendo una gran minuciosidad del operario para asegurar un correcto alineado. En el torno paralelo también puede roscarse (en un agujeros previo realizado en el eje de revolución de la pieza), colocando el macho en el contrapunto. Es necesario ir girando la maneta del contrapunto para desplazar el macho a la velocidad de avance adecuada, a efectos prácticos lo que vaya pidiendo el paso que tenga la rosca. ¿El roscado con máquina? El cuanto al roscado con máquina, se utiliza el denominado “macho máquina”, fabricados en acero rápido o metal duro. Al necesitarse únicamente un macho, ya no es necesaria la tediosa introducción de dos o tres machos consecutivamente. Si a ello unimos la uniformidad y rapidez del corte con máquina, el ahorro de tiempos es realmente significativo.

Figura 6.41.  Roscado con macho de agujero ciego. Fuente: HELLER.

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Teoría de mecanizado

Ha de asegurarse muy bien la perpendicularidad respecto a la pieza, ya que no permiten corregir a medida que vas roscando al no tener tanta entrada como los machos manuales. Ya no es preciso invertir el giro cada media vuelta como se recomendaba en las machos manuales para romper la viruta. Antes de adquirir un macho máquina, hay que diferenciar entre los machos helicoidales, destinados al roscado de agujeros ciegos (la hélice permite que la viruta salga en el sentido contrario a la dirección del macho, al igual que sucede con las brocas), y los machos rectos para agujeros pasantes (la viruta sale en el sentido en el que rosca el macho, por la salida del agujero pasante).

Figura 6.42.  Viruta hacia arriba en agujero ciego. Fuente: SAN- Figura 6.43.  Viruta hacia abajo en agujero pasante. DVIK COROMANT. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Ojo, los machos rectos también pueden roscar agujeros ciegos, pero al no evacuar la viruta y ser el agujero ciego, se acumulará en el fondo: eso exige realizar los taladros previos unos pocos milímetros más profundos, para que sirven de saco recogedor de esa viruta.

Figura 6.44.  Macho máquina de roscar agujeros ciegos. Fuente: IZAR.

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Figura 6.45.  Macho máquina de roscar agujeros pasantes, o ciegos con taladro previo largo. Fuente: IZAR.

6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Roscado rígido contra roscado por compensación En fresadoras y centros de mecanizado gobernados por CNC, será habitual que escuchemos estos dos términos: establezcamos pues las diferencias básicas entre el denominado roscado rígido y el denominado roscado con compensación. ■■ En el roscado rígido, el husillo dispone de un avance sincronizado desde el primer momento. Evidentemente se precisa de un encóder (a modo de regulador de posición) que permita establecer la posición fiable de inicio (en cuanto a número de grados). Pero no todos las fresadoras o centros de mecanizado poseen un encóder en el husillo. Es válido para todo tipo de materiales, incluido los blandos, aunque la parte negativa radicará en que se pueden romper un número de machos más elevado. Además, mecánicamente el macho sufre más. Pongamos un ejemplo: si programamos para girar el macho a 300 RPM, y se está usando un macho de roscar de paso 1.5 mm, el desplazamiento efectuado tras un minuto es exactamente de 450 mm (es decir, 300 x 1.5 = 450 mm). A modo de ejemplo, en el control numérico Sinumerik 840D para fresadora, se trata del ciclo fijo de mecanizado CYCLE84. ■■ En el roscado con compensación, es decir, con plato de compensación, se efectúa una compensación de longitud gracias a un muelle interno que incorpora el portaherramientas. Resulta válido para todo tipo de materiales, pero no es recomendable en los blandos, donde el muelle no es capaz de mantener ya el paso de rosca. También origina problemas en cuanto aparece desgaste en los machos. En principio es una opción recomendable, pero evidentemente exige un portaherramientas que incorpore dicho plato o muelle de compensación debido a la no sincronización de los ejes rotativos y lineales. Además es importante recordar que el muelle absorbe un 5% de la longitud avanzada aproximadamente. Pongamos un ejemplo: si programamos para girar el macho a 450 RPM, y se está usando un macho de roscar de paso 1 mm, el desplazamiento efectuado tras un minuto es de 450 mm, pero con esa reducción se quedará a unos 400 mm roscados realmente. De programarse el avance anteriormente (en el ejemplo sería 400 mm/minuto), a pesar de que en el ciclo se programe el paso de la rosca y las rpm. La verdad es que no suele ser importante, ya que como solemos taladrar previamente, dicho taladro se le asigna una longitud algo mayor. Por ejemplo para roscar unos 20 mm, para que entrase bien un tornillo de longitud 15 mm, taladraríamos a unos 21 ó 22 mm (además de la reducción comentada). A modo de ejemplo nuevamente, se trata del CYCLE840 en el control numérico Sinumerik 840D.

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Teoría de mecanizado

6.4.1.2.  El roscado con terraja La terraja, también conocida como cojinete, es una herramienta destinadas a la generación de roscas exteriores, tipo tornillo. Al igual que con los machos, las están fabricadas en acero rápido HSS y HSS-PM, y poseen una serie de ranuras longitudinales. Las hay de metal duro, pero su utilización es mucho menos habitual ya que el roscado de ejes de poco diámetro puede efectuarse en el torno con plaquita de roscado. Las terrajas fijas realizan el roscado mediante una única pasada, por lo que también existen unas terrajas extensibles (con una ranura que la abre, a modo de pinzas de amarre) y regulables mediante tornillo, para conferirles cierta elasticidad y poder ajustar así la calidad de la rosca, a cambio lógicamente de una mayor pérdida en los tiempos de ejecución y preparación.

Figura 6.46.  Terraja fija de HSS-E PM. Fuente: PHAN- Figura 6.47.  Terraja extensible regulable de HSS. Fuente: TOM. IZAR.

Para girar la terraja se utilizan los denominados portaterrajas, provistos de dos asas y un anillo cilíndrico con tornillos de apriete para aferrar la terraja en su interior. Cara a la preparación, deberemos preparar un eje hasta el diámetro exterior de la rosca a realizar y proceder al giro de la terraja. La terraja irá desplazándose conforme se vaya girando. Algunas terrajas poseen un achaflanado en la zona del dentado que nos indicará por dónde debemos apoyar la terraja en el eje, pero siempre es recomendable que el eje posea una entrada cónica en su extremo para facilitar que la terraja pueda agarrar y comenzar a roscar.

A modo de ejemplo, si quisiéramos roscar un eje a métrica 10 mm, bastará con hacernos o tornear una barra cilíndrica (eje) hasta esos 10 mm. Sería recomendable realizar un pequeño chaflán en el extremo del eje. A continuación, ubicar cuidadosamente la terraja en el extremo del eje y proceder al giro del portaterrajas.

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6. Operaciones de mecanizado de taladrado y afines

Una máquina que no puede faltar: la roscadora de brazo articulado Actualmente, algo que se ha vuelto imprescindible en un taller es la máquina de roscar de brazo articulado. Su flexibilidad le permite el acceso a lugares remotos sin apenas esfuerzo, roscando con un único macho de máquina. Pero su principal ventaja radica en su capacidad para la autocompensación (alineamiento), reduciéndose así el número de roturas drásticamente: en las fresadoras y centros de mecanizado CNC, la frecuente rotura de machos supone un auténtico cuello de botella. Por ello, actualmente en muchos talleres se opta por mecanizar toda la pieza en CNC excepto el roscado de los pequeños taladros, que se efectúa después con una de estas útiles y económicas máquinas, de accionamiento eléctrico o neumático.

Figura 6.48.  Máquina de roscar con brazo articulado. Fuente: GAMOR.

6.4.2.  El roscado mediante machos de laminación Aunque en estos textos nos hemos centrado en el mecanizado por arranque de viruta, nos ha parecido interesante incluir este otro tipo de roscado, donde se utilizan unos machos parecidos pero que trabajan de forma diferente.

La laminación es un proceso de fabricación con el que mediante una fuerza de compresión o de tracción superior al límite de elasticidad del material, se hace fluir el material plásticamente y modificar la forma inicial de la pieza.

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Teoría de mecanizado

El roscado por laminación (también llamado prensado de rosca) se trata en de un procedimiento para generar roscas por conformación en frío, y por tanto sin arranque de viruta. Las fibras del material no son cortadas, sino desplazadas y comprimidas. El roscado por laminación se puede realizar en diferentes tornos, fresadoras y centros de mecanizado CNC. Exigen lógicamente herramientas específicas como machos de laminación, rodillos, peines planos, etc.

Figura 6.49.  Machos de roscar por laminación para acero. Fuente: FORMDRILL.

Se trata ciertamente de un proceso que ha experimentado un auge importante en los últimos años, siendo por ejemplo el método más económico para la generación de grandes series de pequeña tornillería. Antiguamente se precisaba ejercer una gran fuerza y utilizar aceite de corte, pero gracias al progreso de las herramientas es posible y utilización de recubrimientos, es posible laminar el metal con los refrigerantes ordinarios de cualquier máquina CNC.

6.4.2.1.  Ventajas y desventajas A pesar de la preparación exhaustiva de máquina que se requiere, el trabajo con medidas previas muy ajustadas y el elevado coste de la herramienta de muchas ocasiones, la laminación presenta una serie de importantes ventajas que indicaremos a continuación: ■■ No se generan virutas, ni tampoco rebarbas. La rosca posee un mejor acabado. ■■ No hay fallos en el paso de la rosca o en los ángulos de flanco de la rosca. ■■ Se pueden mecanizar materiales diferentes y se pueden roscar tanto agujeros ciegos como pasantes con una misma herramienta. Además, dicha herramienta es más rígida que una convencional para corte, por lo que es más difícil que se rompa.

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■■ Las roscas interiores laminadas tienen más rigidez, gracias a que el material fluye y no se interrumpe, al contrario que sucede con el corte. ■■ Los machos de laminación pueden trabajar con mayores velocidades de corte, ya que la mala deformabilidad de algunos materiales mejora con la velocidad.

Figura 6.50.  Macho de laminación roscando pieza. Fuente: KOMET.

6.4.3.  El roscado mediante fresa de roscar El fresado de roscas es una alternativa interesante frente a los machos de roscar, e incluso puede suponer una alternativa al torneado de roscas. Consiste en el desplazamiento en rampa circular de una herramienta giratoria denominada fresa de roscar. Es el movimiento lateral de la herramienta tras una vuelta el que genera el paso de la rosca. El fresado de roscas solo es realizable en fresadoras y centros de mecanizado CNC, ya que la máquina-herramienta ha de tener capacidad para realizar desplazamientos simultáneos en los ejes X, Y, Z (interpolaciones helicoidales). En el siguientes imágenes de fabricante Sandvik Coromant, especializado en este tipo de herramientas, podemos ver el proceso a seguir para el tallado de una rosca a derechas: ubicación de la fresa en el fondo del agujero, y posterior desplazamiento describiendo un helicoide de abajo a arriba en el sentido contrario al de las agujas del reloj.

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Figura 6.51.  Proceso de tallado de una rosca a derechas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

6.4.3.1.  Ventajas y desventajas El roscado mediante macho es más habitual, ya que es menos complicado y puede realizarse con máquinas a velocidades convencionales, sin necesidad de que la herramienta realice complejas interpolaciones helicoidales. La fresa de roscar exige además velocidades de corte y avances mayores: en definitiva, para trabajar con fresa de roscar, la máquina-herramienta presenta una serie de exigencias. Para series pequeñas con pocos taladros a roscar, el macho convencional sigue siendo la mejor opción ya quela fresa posee un precio muy elevado. Sin embargo, en series largas o con orificios de varios diámetros, ya resulta rentable. Ventajas más relevantes Sin embargo, el fresado de roscar presenta una importante cantidad de ventajas. Sintetizaremos a continuación las más importantes: ■■ Permite tanto mecanizado exterior (islas) como interior (agujeros). ■■ Un macho solo puede roscar en el sentido de la rosca (a derechas o a izquierdas) con el que se fabricó dicho macho. Sin embargo, un sencillo cambio en la programación CNC hace que una fresa de roscar sea capaz de generar una rosca a derechas o a izquierdas: en la rosca a derechas la fresa se coloca inicialmente lo más cerca posible del fondo del agujero y después se desplaza hacia arriba en sentido contrario al de las agujas del reloj; en la rosca a izquierdas se efectúa de arriba hacia abajo, aunque también en sentido contrario a las agujas del reloj. ■■ Al desarrollar velocidades de corte y avance mayores que en el roscado con macho, el rendimiento es superior.

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■■ Elimina el peligro de rotura de un macho dentro de una pieza, siempre problemático. Aunque se produzca la rotura de una fresa de roscar en un agujero, puede extraerse sin problemas de la pieza. La evacuación adecuada de la viruta es un problema crítico que la utilización de la fresa soluciona de una manera brillante (precisamente el adecuado control de la viruta es una razón habitual por la que muchos talleres utilizan el fresado de roscas). ■■ Dependiendo del modelo de fresa puede realizar varias operaciones adicionales en los orificios, como hacer un chaflán o una ranura al final de la rosca. Además puede hacer que la rosca llegue más cerca del fondo de un taladro ciego. ■■ Son una solución más fiable para el mecanizado de piezas de paredes delgadas o con una fijación inestable. ■■ En fresadoras con cambiadores de herramientas de poca capacidad de almacenaje, puede ser una buena opción cuando hay que minimizar el inventario de herramientas. Si en una pieza hay que roscar varios agujeros de diferentes diámetros, el número de machos a roscar en el almacén puede resultar inasumible en dichas máquinas. ■■ Los machos son trabajados a velocidades de husillo relativamente bajas. Por esta razón, la potencia nominal del motor de la máquina probablemente no es utilizada por el macho. ■■ El fresado de roscas es idóneo como sustitutivo del roscado con macho de agujeros grandes cuando a la fresadora es pequeña, que podría quedarse corta de potencia.

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6.5.  El mandrinado Ya conocimos en la unidad 1 que el mandrinado es una operación de mecanizado destinada al agrandamiento de un agujero existente previamente en la pieza. Recordemos rápidamente cuáles son los pasos seguidos para mandrinar, casi siempre con el objeto de lograr finalmente una geometría específica y unos grados de tolerancias y acabados muy ajustados.

6.5.1.  El proceso de mandrinado Como acabamos de comentar, el mandrinado es una operación destinada al agrandamiento de un agujero previo.

Figura 6.52.  Operación de mandrinado. Fuente: SORALUCE.

En piezas simétricas suele recurrirse al mandrinado con una herramienta estática –y la pieza rotando a cambio-, un proceso más económico pero evidentemente limitado a dicha simetría. Aunque el objetivo final del trabajo con una mandrinadora suele ser el mecanizado del interior de una pieza cúbica, para conferirle una geometría específica y unos grados de tolerancias y acabados severos, deberíamos diferenciar los procesos a los que se verá sometida dicha pieza hasta la finalización del mecanizado. Por regla general, se resume en lo que indicamos a continuación: ■■ Lógicamente se parte de una pieza con una cavidad u oquedad previa. Puede tratarse de una pieza fundida –con un agujero proveniente por tanto del propio fundido de la pieza-, o en ocasiones taladrada previamente.

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■■ Se realizan las operaciones necesarias para el mecanizado de desbaste de dicha oquedad previa. Puede consistir tanto en un mecanizado del exterior como del interior, en este último caso el pertinente agrandamiento. Para ello, es frecuente el trabajo con las herramientas detalladas a continuación: □□ Un dispositivo especial denominado plato de refrentar, utilizado en las grandes mandrinadoras, y donde se combina la rotación sobre su eje –acoplado al husillo principal- y el desplazamiento radial de una herramienta montada en la colisa del plato.

Figura 6.53.  Plato de refrentar. Fuente: D’ANDREA.

□□ Una herramienta especial denominada mandril o barra de mandrinar, de gran longitud, con capacidad de desplazamiento radial y por tanto ajuste lo de los diámetros. Cuando la prioridad es la cantidad de material a arrancar, se utiliza el mandrino multi-filo, que posee dos ó tres filos de corte. Con las dos ó tres plaquitas y trabajando cada una con el avance por diente adecuado, puede conseguirse un alto avance por revolución, lo que se traduce en una elevada productividad

Figura 6.54.  Mandril de desbaste de dos plaquitas. Fuente: SANDVIK COROMANT.

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■■ Se realizan las operaciones de acabado necesarias para darle la forma y las medidas definitivas a la oquedad. En pre-acabados y acabados, donde la prioridad es un buen control de la viruta, se utiliza el mandrino de un solo filo. En la operación de acabado definitivo, se utiliza el mandril micrométrico o barra de mandrinar micrométrica, que permite una regulación o pre-reglado de la medida hasta valores realmente estrictos. Las herramientas de  mandrinado  de precisión de un solo filo ofrecen la posibilidad de pre-reglar el filo con una precisión de incluso micras. Se emplean para conseguir calidades IT6 y IT 8.

Figura 6.55.  Ajuste micrométrico. Fuente: SANDVIK COROMANT.

Eso sí, el acabado se realiza con profundidades de corte relativamente pequeñas, en general inferiores a 0,5 mm

Figura 6.56.  Mandril micrométrico. SANDVIK COROMANT.

Se pueden utilizar también para el mecanizado de ranuras y canales asimétricos.

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Figura 6.57.  Ranurado frontal. Fuente: SANDVIK COROMANT.

■■ Además, pueden efectuarse aquellas operaciones que sean necesarias para completar la pieza, como taladrados, escariados, roscados, etc. Además, si la mandrinadora poseyese una mesa dotada de capacidad para rotar continuadamente, se podrían llevar a cabo operaciones de torneado.

6.5.2.  Mandrinado o fresado en espiral Como acabamos de comentar, el mandrinado es una operación destinada al mecanizado de agujeros medios o grandes. Sin embargo, aunque el mandrinado nos permite la posibilidad de unos ceñidísimos ajustes tras realizar un taladrado previo, existe la posibilidad de mecanizado del agujero mediante una fresa, avanzando helicoidalmente. Nos ha parecido interesante incluir unos comentarios al respecto, basándonos en la información del fabricante Sandvik Coromant.

Figura 6.58.  Agujero y cajeado superior a realizar.

La opción que se considerada por defecto es la realización mediante un taladrado previo con broca y un posterior mandrinado. La precisión del mismo, y por tanto la elección de un mandril u otro, dependerá en gran medida del grado de ajuste y calidad superficial deseado.

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Figura 6.59.  Opción de taladrado y posterior mandrinado. Fuente: SANDVIK COROMANT.

La ventaja fundamental es que nos hallamos ante dos herramientas estándar y muy conocidas, por lo que su preparación y programación en máquinas CNC resulta bastante sencilla. Sin embargo, entre las desventajas cabe citar que al fin y al cabo se trata de dos herramientas, con sus correspondientes adaptadores, mangos y recambios, lo que se traduce en un coste económico alto (además el mandril es una herramienta cara). Ello conlleva la ocupación de dos posiciones de herramienta en el almacén de una fresadora o centro de mecanizado CNC, y una onerosa pérdida de tiempo en fresadoras convencionales. La potencia requerida también puede ser elevada. Por ello, otra opción que cobra fuerza hoy día, especialmente en el MAV (Mecanizado de Alta Velocidad) es el fresado. Puede realizarse por capas, pero sin duda el método más eficiente para que la fresa taladre, es que ésta vaya penetrando describiendo una hélice. Las ventajas radica en que sigue tratándose de una herramientas estándar sencilla y muy económica, pero que puede utilizarse para fresar otros diámetros y por supuesto otras operaciones de fresado diferentes. Las fuerzas de corte que se generan son bajas, por lo que puede aplicarse la estrategia en fresadoras y centros de mecanizado pequeños (siempre y cuando posean capacidad de penetrar helicoidalmente). Como desventaja hay que citar que se trata de operaciones que precisan de un mayor tiempo, ya que en el taladrado y mandrinado después de todo solo se producía una penetración axial.

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Figura 6.60.  Opción de fresado helicoidal. Fuente SANDVIK COROMANT.

Evidentemente, queda a disposición del usuario conocer la realidad de su entorno, y sopesando ventajas y desventajas, aplicar el más conveniente a cada caso.

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RESUMEN ■ ■ ■ ■ ■

Todas las operaciones tratadas tienen en común el desplazamiento axial de la herramienta únicamente en el eje Z. Además del taladrado propiamente dicho, hay otras operaciones de taladrado como el punteado previo, el avellanado, el refrentado, el escariado, el roscado y el mandrinado. El escariado es una delicada operación ligada al acabado de agujeros con una tolerancia ajustada H7. El roscado consistente en el tallado de una rosca, bien sea mediante machos de roscar o fresas de roscar. El mandrinado, consiste en el recrecido del diámetro de un orificio, puede ser una operación de desbaste y/o de acabado de muy alta precisión.

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