¿Cómo alcanzar excelentes acabados superficiales durante el mecanizado?

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Este artículo entrega una visión sobre las estrategias generales que se deben tener en cuenta para alcanzar un mejor acabado superficial en los procesos de fresado y torneado, considerando las posibilidades que brindan las tecnologías actuales en herramientas, programación CNC, sistemas de agarre e incluso en materiales.

El chatter, un enemigo del acabado superficial que es posible enfrentar

El chatter es un efecto de resonancia inducida por el proceso de corte que deforma las herramientas y las piezas de trabajo cuando se gira a ciertos rangos de velocidad (rpm). La acción repetida de las fuerzas de corte sobre los insertos genera en ciertos casos un efecto de amplificación de las vibraciones que deja marcas características similares a estrías sobre la superficie trabajada. Predecir correctamente el chatter durante un proceso exige hacer un análisis detallado de las vibraciones de resonancia para la combinación entre máquina, sistema de sujeción de la herramienta de corte, geometrías y materiales de estas últimas y de las piezas de trabajo, entre otros.

El modelamiento de chatter se utiliza cada vez más para la fabricación en serie de componentes de alto valor agregado en los sectores aeronáuticos, automotrices e incluso biomédicos. Algunos software de mecanizado ofrecen un aplicativo para estimar los rangos seguros de procesamiento; sin embargo, para aplicaciones únicas, con muchas herramientas de corte y piezas de muy diferente rango de forma y tamaño, como las que vive un fabricante de moldes, es importante tener algunos lineamientos que puedan ayudar a enfrentar el chatter.

Con respecto a las herramientas, siempre es recomendable trabajar con aquella que posea una menor relación de aspecto (relación entre el diámetro y la longitud). Siguiendo la simple ley de deflexión de los cuerpos elásticos, la punta de una herramienta se deflecta lateralmente proporcionalmente al cubo de su distancia libre. Es decir, con solo duplicar la longitud de una herramienta, se estará multiplicando por 8 el valor de su deflexión lateral, bajo exactamente las mismas condiciones de corte. En el caso del diámetro de la herramienta, sucede algo aún más drástico. Una herramienta de la mitad del diámetro se deflecta 16 veces más (proporcional a la cuarta potencia) bajo las mismas fuerzas de corte. De allí la importancia de verificar en el sistema CAM cuál es la herramienta más corta y gruesa que se puede usar en todo momento. Hay que tener en cuenta que la sección de la fresadora que tiene flancos de corte es menos robusta que el cono, o el cilindro que la conecta al sistema de sujeción del husillo. Por esta razón, también es importante usar herramientas que tengan solo la longitud de flanco necesario con el fin de dar mayor rigidez al sistema y reducir las vibraciones.


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Complementando el tema, como lo aconsejó el Dr. Kristian Arnzt, director de la Academia de Fabricación de Herramental de Aachen, y experto en fresado del Fraunhofer IPT en Alemania, durante una de sus conferencias en mecanizado de precisión en agosto de 2017 en Medellín, Colombia, “en el caso de estar presentando problemas de chatter, aún en contra de la intuición, lo recomendable es subir un poco la velocidad de rotación con el fin de salir de uno de los modos de vibración de la herramienta. Al momento de notar que las vibraciones disminuyen, es incluso posible aumentar la profundidad de corte también y aún mantenerse en un estado de proceso estable, aumentando así la productividad mientras mejora la superficie de la pieza de trabajo”. Adicionalmente, subir la velocidad de rotación reduce la fuerza de corte al disminuir el avance por diente. Esto reduce aún más las vibraciones causadas por el proceso. “¡No siempre hay que pensar que reduciendo la velocidad estamos solucionando los problemas!”, agregó el Dr. Arnzt.


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Continuando con la lí­nea de argumentación según la cual los movimientos bruscos y por ende las vibraciones causan problemas en la superficie, debe tenerse en cuenta que la máquina CNC en la que se está haciendo el trabajo cuente con una función que ayude a controlar esto de manera nativa. Como es común encontrar en los talleres, aun cuando las máquinas pueden alcanzar movimientos muy rápidos de avances de ejes, los operarios prefieren no aprovecharlos al momento de hacer trabajos de acabado debido a las posibles marcas que puede dejar el paso de la herramienta por ciertos puntos de la superficie. Esto es debido a que el cambio continuo de dirección de movimiento del cabezal y de la pieza, con sus aceleraciones y frenadas, genera vibraciones en la estructura de la máquina que se notan directamente en la pieza de trabajo.

Por ello, es importante conocer y aplicar las capacidades del control de la máquina para suavizar y contrarrestar los picos de aceleración causados por las trayectorias generadas por el CAM. Esto a su vez es muy útil para incrementar la productividad del proceso, ya que la máquina logra reducir los avances solo en algunos sectores puntuales del programa y permite para el resto trabajar con altas velocidades de avance.

Una manera de evitar los problemas causados por los movimientos bruscos de los ejes en esquinas y cambios de dirección es trabajar con estrategias de fresado trocoidal. Este tipo de estrategias, pertenecientes al tema del fresado de alta velocidad (HSC) se ha discutido en mayor detalle en ediciones anteriores de esta revista. En resumen, se generan trayectorias trocoidales (similares a helicoides) con la herramienta para evitar en lo posible generar esquinas agudas. Es decir, la trayectoria de la herramienta es más continua que si se hace a partir de rectas y esquinas agudas. Esto ayuda a que la máquina herramienta no deba acelerar y frenar continuamente, evitando vibraciones y, por otro lado, mantiene el avance por diente y otros parámetros de corte constantes, mejorando aún más los resultados de la superficie.

Cómo mejorar el acabado desde el CAD y el CAM

Desde el punto de vista del software CAD, la mejor forma de lograr excelentes acabados superficiales es solicitar una tolerancia de precisión de forma en las zonas crí­ticas lo más cercana posible a 1 µm. De esta forma el CAM, al generar las trayectorias de mecanizado, tendrá un mejor punto de inicio para interpolar las superficies ya sea en 3 o 5 ejes y evitar generar escalones pronunciados sobre la pieza final. Estos escalones también se deben al uso generalizado de la interpolación G01 en la que una curva se representa con múltiples rectas.


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Empeorando la situación, entre más ajustada haya sido la tolerancia del CAD, muchas más lí­neas de código conformarán el programa NC, haciéndolo lento de procesar en la máquina. Para solucionar estos problemas, los software CAM actuales ofrecen una serie de estrategias para la generación más fiel de las trayectorias que describen la pieza deseada con códigos más cortos. Se trata de las interpolaciones tipo B-Spline. Estas utilizan códigos NC especiales que describen directamente curvas en lugar de rectas y pueden copiar las superficies descritas en el CAD de manera mucho más precisa, suavizando notablemente los sobresaltos o escalones y mejorando el resultado final sobre la pieza. Un efecto adicional del uso de estos sistemas de interpolación directamente desde el programa NC escrito por el CAM, es que el control de la máquina no tiene que correr tantos complejos algoritmos de suavizado de superficies en tiempo real, al igual que le permite acelerar por espacios más prolongados, reduciendo así­ los tiempos de mecanizado con respecto a las interpolaciones lineales tradicionales.

Recomendaciones generales para mejorar el acabado

Aun cuando el fabricante de herramientas recomiende un mismo tipo de herramienta, tanto para el acabado como para el desbaste, no significa que se deba usar exactamente la misma herramienta. Es mejor cambiar la herramienta para el proceso final y usar una afilada y calibrada incluso si es del mismo tipo. Una vez esta haya trabajado un tiempo en procesos de acabado, puede pasarse a uso de desbaste.

El uso de herramientas balanceadas es también crí­tico a la hora de obtener excelentes superficies. Esto se vuelve aún más fundamental con herramientas que giran a altas velocidades. Los errores de concentricidad de la herramienta o de posicionamiento de los insertos en la fresa generan problemas de acabado superficial, debido a que algunos insertos remueven más material que otros.

Un consejo adicional es hacer el acabado con la estrategia de fresado hacia abajo (climb milling) en la que la viruta comienza más ancha y termina delgada. Al hacerlo al contrario, y debido a que la profundidad de corte y avance por diente son tan pequeños en el acabado, se corre el peligro de frotar el material demasiado, en lugar de cortar. Esto deteriora la superficie de la pieza de trabajo y aumenta la temperatura innecesariamente, lo que disminuye la vida útil de los insertos de corte. Es importante dejar un paso final con un corte de bajo ancho o de baja profundidad. Se recomienda que la profundidad de corte sea entre dos y tres veces el valor en mm del avance por diente para que no haya problemas de frotamiento entre el material de corte y la herramienta.

Cuando no es posible evitar estos problemas de frotamiento y las altas temperaturas comienzan a crear efectos de acumulación de material sobre los flancos de corte o las herramientas generan grandes cráteres en su superficie, es bueno evaluar la posibilidad de usar Cermets. Los insertos tipo Cermet alcanzan mejores superficies debido a que soportan mejor el desgaste que proviene de interacciones térmicas y quí­micas, manteniendo un filo de corte más fiel a su geometrí­a adicional por más tiempo. Esto, por supuesto, no es solo un beneficio para la vida útil del inserto, sino para el acabado superficial que se logra con él. Incluso, esta mejor resistencia a la temperatura les permite a estos insertos trabajar con velocidades de corte mayores, ganando en productividad.

Los materiales de pieza de trabajo de mayor dureza y de menor tamaño de grano permiten obtener mejores valores de rugosidad superficial, debido a que la viruta removida tiene menor posibilidad de deformarse plásticamente en la zona de corte del material. En el caso del mecanizado de materiales dúctiles se hace necesario aumentar el ángulo de ataque de las herramientas de corte para que la deformación de la viruta sea mayor y se corte a menores longitudes. Esto también ayuda a que la limpieza de la zona de corte sea mejor y no haya viruta que raye la pieza al contacto con la herramienta cuando vuelve a pasar.

En el acabado de cavidades es recomendable no hacer pasos de acabado del piso al mismo tiempo que el acabado de los muros. La combinación de fuerzas generadas por el corte en varias direcciones puede generar vibraciones que afectan el acabado superficial.

Desde el punto de vista cinemático de los procesos de corte, existen dos variables principales que afectan la rugosidad superficial de los productos. El diámetro de la herramienta de corte y el avance. Entre más grande sea el diámetro de la fresa, menor será la rugosidad superficial. Igualmente, se puede lograr una mejor superficie si se garantiza un avance por revolución (en el caso de torneado) pequeño o una superposición de trayectorias alta (en el caso de fresado). Expertos en el área de fresado recomiendan un valor de superposición cercano a los ? del diámetro de la herramienta para obtener el mejor balance entre rugosidad superficial y productividad. El uso de herramientas con flancos planos en fresas cilí­ndricas beneficia la superficie debido a que aplana en muchos casos ya no cortando sino “aplastando” parte de las pequeñas irregularidades dejadas por los pasos de pre-acabado anteriores.

Por último, en caso de que sea inevitable el uso de herramientas de gran relación de aspecto para alcanzar sitios profundos y delgados, se recomienda evaluar el uso de sistemas de sujeción amortiguados. Esto disminuye las vibraciones y permite mecanizar a mayor velocidad, reduciendo el riesgo de daños en la superficie. También es importante pensar en tener sistemas de agarre de pieza rí­gidos, dejando a su vez la menor cantidad posible de distancia libre entre el punto donde se está ejerciendo la fuerza y los apoyos. Para esto, en el caso de piezas delgadas, es incluso recomendable adherirlas a una placa robusta con pegantes o ceras que luego se pueden retirar mediante adición de calor. Esto va a disminuir drásticamente su tendencia a comportarse como membranas de tambor y mejorará con creces las superficies trabajadas.


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Desde el punto de vista cinemático de los procesos de corte, existen dos variables principales que afectan la rugosidad superficial de los productos. El diámetro de la herramienta de corte y el avance. Entre más grande sea el diámetro de la fresa, menor será la rugosidad superficial. Igualmente, se puede lograr una mejor superficie si se garantiza un avance por revolución (en el caso de torneado) pequeño o una superposición de trayectorias alta (en el caso de fresado). Expertos en el área de fresado recomiendan un valor de superposición cercano a los ? del diámetro de la herramienta para obtener el mejor balance entre rugosidad superficial y productividad. El uso de herramientas con flancos planos en fresas cilíndricas beneficia la superficie debido a que aplana en muchos casos ya no cortando sino “aplastando” parte de las pequeñas irregularidades dejadas por los pasos de pre-acabado anteriores.

Por último, en caso de que sea inevitable el uso de herramientas de gran relación de aspecto para alcanzar sitios profundos y delgados, se recomienda evaluar el uso de sistemas de sujeción amortiguados. Esto disminuye las vibraciones y permite mecanizar a mayor velocidad, reduciendo el riesgo de daños en la superficie. También es importante pensar en tener sistemas de agarre de pieza rígidos, dejando a su vez la menor cantidad posible de distancia libre entre el punto donde se está ejerciendo la fuerza y los apoyos. Para esto, en el caso de piezas delgadas, es incluso recomendable adherirlas a una placa robusta con pegantes o ceras que luego se pueden retirar mediante adición de calor. Esto va a disminuir drásticamente su tendencia a comportarse como membranas de tambor y mejorará con creces las superficies trabajadas.


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