Las dinámicas de un mejor taladrado

De los tres procesos fundamentales de arranque de viruta –fresado, taladrado y torneado– uno de ellos es diferente. En el fresado y el torneado el corte se realiza a la vista, lo que permite aprender mucho sobre el comportamiento del corte por simple observación. Pero en el taladrado –y en todos los procesos para elaboración de huecos– la acción está oculta. Nadie puede ver lo que ocurre en el corte y ningún ojo puede observar la superficie mecanizada hasta que el orificio está terminado. Esta falta de visibilidad, tanto como cualquier otro factor, probablemente explique por qué la elaboración de orificios ha sido entendida tan poco.

Un factor importante, pero no tenido en cuenta, ha sido el conocimiento aplicado de las autoexcitaciones o vibraciones "regenerativas" en el mecanizado de huecos. Se trata de vibraciones como el castañeo, que se autoalimentan simplemente como resultado de la dinámica del corte.

Este fenómeno ha sido controlado más a fondo en otros procesos. En el fresado, algunos fabricantes han aprendido a mecanizar en condiciones armónicamente estables que permiten cortes más productivos. Por ejemplo, cuando las oscilaciones de la herramienta interactúan con las ondulaciones de la superficie de las piezas se presenta un castañeo. Sin embargo, sistemas individuales de husillo, herramienta y portaherramientas tienen velocidades armónicas repetibles, en los que la oscilación de la herramienta y las ondulaciones de la superficie pasan limpiamente una sobre la otra, de tal forma que se obtiene un corte constante y suave con fuerzas uniformes de corte (ver recuadro). Deduciendo y aplicando estas velocidades estables, algunos fabricantes –como Boeing– han logrado mayores velocidades de remoción de material, sacando así mayor provecho de sus fresadoras CNC.

En contraste, para la elaboración de orificios se ha aplicado menos ciencia y más intuición. Algunas operaciones de la elaboración de huecos se comportan de una manera excelente y otras son ineficientes, pero las razones del triunfo o del fracaso muchas veces son desconocidas. Este desconocimiento les cuesta mucho dinero a los fabricantes.

En el caso de Boeing, la cantidad de dinero que se ahorra con una eficiente manufactura de huecos puede ser significativa. Una sola ala de jet grande puede tener hasta 45.000 huecos. Mecanizar estos huecos más rápido y con menos desgaste de la herramienta puede reducir los costos. Además, mecanizar estos orificios más redondos, rectos y suaves reduce el costo del ensamble. Y un mejor conocimiento de la vibración en la elaboración de huecos puede ser la clave para alcanzar estos objetivos.

Como parte de la búsqueda de un conocimiento más refinado de lo que ocurre en el hueco, algunos ingenieros del grupo de aviones militares de Boeing en Saint Louis, Missouri, han colaborado con los investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Washington (ubicada en Saint Louis) para desarrollar un modelo matemático destinado a la elaboración de huecos que pueda predecir y optimizar el desempeño del taladrado y el rimado en la realidad. Con el tiempo, el modelo ayudará a Boeing en la escogencia de las máquinas-herramienta para la elaboración de huecos. Por el momento, el modelo le está dando forma al diseño de herramientas de corte y a la manera como estas herramientas son utilizadas.

Un ejemplo tiene que ver con el espaciamiento irregular de estrías de una rima –tan irregular que la herramienta de seis estrías incluye dos estrías contiguas que tienen cerca de 110 grados entre ellas–. Hace mucho se sabe que una rima con paso irregular puede producir un corte más estable, pero en herramientas de este tipo, uno de los retos ha sido distribuir las fuerzas de corte de tal manera que el orificio rimado tenga una redondez mayor que el que lo precedió. Mediante el modelo matemático para el proceso de elaboración de huecos, los ingenieros pueden optimizar el espaciamiento de las estrías y otros aspectos del diseño de la rima (la forma exacta como lo hacen es un secreto) para tener en cuenta y compensar las fuerzas irregulares. El resultado es una herramienta de rimado más efectiva, que ya se usa en el proceso de producción de la compañía.

Mejorar un modelo suficientemente robusto y preciso para ser aplicado en un problema práctico y específico como este, requirió no sólo cálculos y análisis de computador, sino una gran cantidad de ensayos experimentales de corte y medida para determinar la influencia de las numerosas características de la herramienta.

Philip Bayly, profesor asociado de ingeniería mecánica que lidera esta investigación en la Universidad de Washington, dice que el trabajo comenzó cuando Boeing reconoció (él cita en particular a Jerry Halley y a Jeffrey Luner) que la vibración regenerativa podría ser la clave de muchos de los problemas de la elaboración de agujeros. La investigación resultante les ha dado cuerpo a algunas teorías existentes sobre cómo trabaja la vibración en el taladrado y en otros procesos similares y cómo la naturaleza de esta vibración –particularmente en el taladrado– difiere significativamente de la vibración que ocurre en el fresado.

Según Bayly, la diferencia fundamental es que en el taladrado pueden producirse dos tipos de vibraciones que afectan al corte de dos maneras diferentes.

Cómo el castañeo afecta la vida de la herramienta
Un tipo de vibración en el taladrado es el castañeo, similar al que ocurre en el fresado. En el taladrado, el castañeo se produce por un acople torsional-axial, un mecanismo inherente a la herramienta. He aquí como trabaja:

En la medida en que la broca corta, esta se torsiona en reacción a la carga sobre sus filos de corte. La carga es torsional pero la distorsión de la broca tiene también una contraparte axial. La torsión hace que la broca se "desenrolle". La broca quiere alargarse. Sin embargo, esta extensión es resistida por el empuje sobre la broca y por su propia rigidez axial. Como resultado, hay dos fuerzas diferentes en competencia en el hueco: la fuerza torsional que trata de alargar la broca, y la fuerza de oposición que lucha contra esta extensión. La broca se deforma de ambos lados debido a estas fuerzas. El movimiento resultante puede ser visualizado como un picoteado de la broca pero con desplazamientos microscópicos y con una frecuencia de 20 a 30 veces por cada revolución de la herramienta.

El ondulado de la superficie producido por un corte de este tipo, toma la forma de un patrón de rayos de sol desplegado en el fondo del hueco (ver fotografía). El castañeo ocurre a cualquier velocidad en la cual el movimiento dentro y fuera de la broca interfiere con el ondulado dejado en la superficie por la revolución previa de la broca. La broca, al rotar y oscilar, colisiona con estas ondas haciendo que el ondulado y la oscilación sean más acentuados.

Este efecto es el responsable del silbido típico del taladrado. Durante el castañeo la herramienta, el husillo y el resto del sistema resuenan en una frecuencia cercana a alguna de las "frecuencias naturales" del sistema. Y en la mayoría de las aplicaciones de taladrado de metales, las frecuencias naturales se encuentran en valores cercanos –en ciclos por segundo– a lo que el oído humano interpreta como un sonido.

El efecto más nocivo del castañeo es el desgaste de la herramienta, resultado de los efectos de martilleo que se presenta. Cuando el castañeo resulta muy intenso es posible que se produzca la rotura de la herramienta. La vibración puede ser particularmente destructiva en las herramientas de carburo en comparación con las de acero rápido porque, aunque las de carburo tienen una mayor resistencia al desgaste, su resistencia al choque es menor. Las herramientas de carburo son, por tanto, más susceptibles al desportillamiento o a la formación de grietas como resultado de los golpes repetidos.

Pero hay otros efectos dañinos. La vibración puede acelerar el desgaste de los componentes de la máquina. Según Bayly, el patrón de rayos de sol también puede ser significativo, incluso en los agujeros pasantes en los que el fondo del hueco desaparece. "Cualquier cosa que afecte el fondo del hueco probablemente afectará los lados de una manera similar. Y si algo como el patrón de castañeo aparece en los lados del hueco, la resistencia a la fatiga de la pieza puede verse afectada".

Controlando el castañeo
El mejor recurso para eliminar el castañeo que ocurre en el taladrado es la escogencia de la velocidad del husillo, afirma Bayly.

En el taladrado –como en las aplicaciones de fresado de alta velocidad donde el castañeo es importante– la velocidad más alta no es necesariamente la mejor velocidad. En cambio, el taladrado libre de castañeo ocurre cuando la velocidad a la cual gira la herramienta (en revoluciones por segundo) divide en un número par a la frecuencia de vibración torsional-axial de la broca.

Cuando estas dos frecuencias son divisibles de manera par, significa que la broca está siguiendo perfectamente el patrón de ondulación de la superficie. El resultado es un corte suave con una carga de viruta constante y restringida. Igualar exactamente esta velocidad óptima del husillo puede ser difícil –más difícil que en el fresado–. Otra dificultad estriba en la cuantificación del efecto de castañeo. En el fresado es posible determinar cuál de dos velocidades de husillo es más estable, dependiendo de la que permita una mayor profundidad de corte. En el taladrado, las pruebas de corte por ensayo y error también pueden ser utilizadas, pero aquí la inexistencia de un parámetro como la profundidad de corte complica la determinación sobre cuál velocidad produce menor castañeo cuando las diferencias audibles son pequeñas.

Esta es una de las razones principales por las que el modelo matemático fue desarrollado. El modelo predice las velocidades óptimas de husillo sin necesidad de hacer un mecanizado.

Además, el mismo modelo también verifica que otras soluciones de taller, que no tienen nada que ver con la velocidad, pueden reducir el castañeo. Algunas de estas soluciones son:

Aumentar el espesor del alma. El alma es la sección central de la broca entre las estrías (ver ilustración). En lugar de utilizar una broca con un espesor de alma igual a 20% o 30% del diámetro (valor típico), ensaye una broca con un espesor de 30% o 40%. La herramienta con alma más ancha es más rígida y tiende a castañear menos.

Disminuya el destalonado del labio. Una broca con menos destalonado de labio tiende a frotar más el fondo del hueco. Este frotado tiene un efecto amortiguador que puede reducir el castañeo. El fenómeno es, esencialmente, el mismo tipo de amortiguamiento que hace que las herramientas tipo tornillo presenten menos castañeo (ver recuadro).

Mayor velocidad de avance. El aumento de la velocidad de penetración con respecto a la velocidad de giro es otra forma de aumentar el frotado.

Disminución del ángulo de hélice. Esta es la menos conocida de todas las sugerencias, de acuerdo con Bayly. Entre las características de las brocas estudiadas por los investigadores, está la relación entre las deflexiones torsional y axial. Los análisis muestran una clara relación entre el ángulo de hélice y el castañeo. Con un ángulo de hélice más pequeño, la broca se "desenrolla" menos en respuesta a la carga axial. Ello significa que la broca no "picotea" con gran amplitud.

Cómo afectan las vibraciones de baja frecuencia la redondez del hueco
Hasta ahora toda la discusión se ha centrado en el castañeo –la vibración regenerativa que ocurre cerca de la frecuencia natural del sistema–. En el fresado esta puede ser la única vibración que afecte el proceso. Pero el taladrado es más complejo. Mientras la herramienta está castañeando arriba y abajo a alguna frecuencia alta, también puede estar balanceándose adelante y atrás a una frecuencia mucho más baja, generando un volumen de forma cónica al balancearse y girar. Esta vibración de baja frecuencia, también regenerativa, crea ondas que tienden a exagerar la propia vibración. Además, esta vibración no es de castañeo per se porque no tiene ninguna relación con la frecuencia natural del sistema. En cambio, la frecuencia de esta vibración tiende a ser un múltiplo de la velocidad de giro, cualquiera que esta sea. Esta relación directa con la velocidad de giro hace la vibración de baja frecuencia particularmente insidiosa, anota Bayly. Con este tipo de vibración, los ajustes en la velocidad del husillo en nada ayudan.

El movimiento de balanceo debido a la vibración de baja frecuencia afecta la redondez del hueco. Esta vibración ocurre en el taladrado y en el rimado. Los huecos resultantes de esta vibración presentan lóbulos fuera de redondez, que ocurren en números impares. Una forma típica es el hueco de tres lóbulos, que vagamente sugiere un triángulo (ver foto). También son posibles los huecos con cinco y siete lóbulos. Aunque cualquiera de estos huecos puede tener la medida correcta, es posible que no acepte un remache de la medida correspondiente.

Muchas veces, este tipo de vibración se diagnostica incorrectamente como "herramienta caminadora". Tal descripción del movimiento de la herramienta no tiene en cuenta el efecto regenerativo. La herramienta realmente está balanceándose en desplazamientos regulares como un péndulo, completando ciclos adelante y atrás a la velocidad de dos, cuatro o seis veces por revolución de la herramienta. La forma lobulada que resulta (el número de lóbulos siempre iguala la frecuencia por revolución más o menos uno) fortifica y amplifica esta vibración en la medida en que el corte avanza.

Control de la vibración de baja frecuencia
Los cambios en la velocidad de giro o en la velocidad de avance hacen muy poco por resolver el problema de la falta de redondez del hueco. Sin embargo, los siguientes cambios han demostrado tener algún efecto.

Aumento de la rigidez. Una herramienta más rígida reduce la vibración de baja frecuencia en la medida en que se reduce el castañeo.

Aumento del número de estrías. En lugar de una broca con dos estrías ensaye con una de tres o cuatro. Un número superior de estrías promueve la formación de un mayor número de lóbulos más pequeños, haciendo que el hueco se acerque más a la forma redonda deseada.

Aumento del margen de contacto. El margen es la superficie que sigue al borde de corte por el lado de la estría de una broca estándar. Algunos fabricantes de brocas entorchadas de alto rendimiento han reducido el ancho del margen para minimizar el frotado en el lado del hueco. Sin embargo, un paso en la dirección opuesta puede ser beneficioso cuando se trata de vibraciones de baja frecuencia. El aumento del número de márgenes en la herramienta puede ayudar a soportar la broca. Adicionalmente, si el frotado ocurre de tal manera que pueda interferir con la regeneración, el resultado será un amortiguamiento de la vibración, de igual forma que el destalonado reducido del labio puede disminuir el castañeo.

Una broca de doble margen aumenta el número de márgenes. Este tipo de brocas adiciona un segundo margen a cada estría, adicional a la que toca el borde de corte. Duplicando el área de contacto alrededor de la circunferencia de la herramienta, esta broca aumenta la oportunidad de que ocurra el frotamiento en la cantidad necesaria para mejorar la redondez.

Los investigadores también estudian otros factores como el papel de la geometría de la punta y el de otros tipos de acople en la deflexión de la viga, diferentes del axial-torsional.

"La vibración de baja frecuencia constituye un problema más obstinado que el castañeo y también es un problema más serio. Con el castañeo, aun si la vida de la herramienta es baja, se puede taladrar un buen hueco. Pero la vibración de baja frecuencia puede hacer imposible la realización de un hueco aceptable", anota Bayly.

Mirando adelante
Actualmente, el doctor Bayly trabaja con el productor de un software que se vende para el análisis de procesos metalmecánicos. Esos estudios podrían conducir a la disponibilidad comercial de algunos algoritmos predictivos, como resultado de la investigación realizada para la elaboración de huecos.

Hasta ahora, el beneficiario de este trabajo es Boeing. La compañía ya ha aplicado el modelo matemático para mejorar las herramientas y las condiciones de corte en varias operaciones de elaboración de huecos. Según Bayly, en el futuro, el modelo también ayudará a Boeing a especificar sus máquinas-herramienta.

Él puede afirmar esto con alguna seguridad ya que el conocimiento de las vibraciones, en lo que tiene que ver con el fresado, ha empezado a influir en la selección de las máquinas-herramienta de la compañía.

"Hoy, el tipo de características que nos permiten especificar una máquina son el empuje, el torque y la potencia. Para las máquinas futuras, esta lista de especificaciones crecerá", comenta Bayly.

El amortiguamiento, las frecuencias naturales y la rigidez dinámica deberán ser adicionadas a la lista de especificaciones de las máquinas-herramienta para la elaboración de orificios. Para estas características, el modelo matemático facilita pronosticar qué valores serán más apropiados en una operación específica de elaboración de huecos.

"Muy pronto, no sólo le diremos al fabricante de máquinas-herramienta, los caballos de potencia necesarios para una máquina, también diremos algo como: necesito una rigidez de por lo menos 10.000 newtons por milímetro. O, necesito una frecuencia natural de exactamente 2.000 hertz", comenta Bayly.