Precisión de mecanizado en máquinas-herramienta

Productividad y precisión son dos aspectos determinantes en la competencia entre vendedores de máquinas-herramienta. Sin embargo, las condiciones en la producción están sujetas a constantes cambios. Así, en la fabricación de piezas, por ejemplo, se requiere producir lotes cada vez más pequeños, de forma económica y a la vez precisa. En la industria aeroespacial se necesita una máxima capacidad de arranque de material en los procesos de desbaste, mientras que los procesos de acabado deben ser ejecutados con una gran precisión. En el fresado de moldes de alta calidad se exigen elevados ratios de arranque de material durante el desbaste, con el fin de obtener una excelente calidad de la superficie después del acabado. Al mismo tiempo, se precisan velocidades extremas de avance para mecanizar las finas distancias necesarias entre trayectorias, en unos tiempos de mecanizado aceptables.

Teniendo en cuenta las condiciones fuertemente cambiantes en la producción, la precisión térmica de las máquinas-herramienta cobra cada día mayor importancia. Las crecientes aceleraciones y velocidades son responsables del calentamiento de los husillos de recirculación de bolas de los accionamientos lineales de avance. En especial con lotes de producción pequeños, donde las tareas de mecanizado varían constantemente, no pueden alcanzarse unas condiciones térmicas estables. Al mismo tiempo, sin embargo, la precisión de la primera pieza gana una mayor importancia en cuanto a la rentabilidad de pedidos de fabricación de piezas. Los cambios constantes entre operaciones de taladrado, desbaste y acabado incrementan las fluctuaciones de las condiciones térmicas de una máquina-herramienta. Durante el desbaste, el cabezal alcanza valores de potencia de más de 80%, mientras que en el acabado los valores caen por debajo de 10%. La medición de los valores de posición en los accionamientos de avance desarrolla un papel principal en la estabilización del comportamiento térmico.

Estabilidad térmica de máquinas-herramienta
Las soluciones para evitar las desviaciones inducidas térmicamente se han vuelto más cruciales que nunca en el sector de fabricación de máquinas-herramienta. Refrigeración activa, estructuras de máquina diseñadas simétricamente y medición de temperatura son hoy una práctica común.

Una fuente principal de dilataciones térmicas son los ejes de avance basados en husillos de recirculación de bolas. La distribución de la temperatura a lo largo del husillo puede variar rápidamente como resultado de las velocidades y las fuerzas de avance. En máquinas herramienta sin reglas, las variaciones de longitud resultantes (típicamente: 100 µm/m en 20 min) pueden causar errores significativos en la pieza.

Medición de la posición de los accionamientos de avance
La posición de un eje de avance NC puede medirse, básicamente, mediante el husillo de bolas en combinación con un encoder rotativo, o por medio de una regla.
Si la posición del carro se determina usando un encoder rotativo, el husillo de bolas realiza dos tareas: como sistema de accionamiento debe transmitir grandes fuerzas, pero al mismo tiempo, como aparato de medición, se esperan una elevada precisión y consistencia del paso del husillo. Sin embargo, el lazo de control de posición incluye sólo al encoder rotativo. Ya que no es posible compensar las variaciones en la mecánica del accionamiento originadas por el desgaste o la temperatura, se habla en este caso de funcionamiento en lazo semicerrado. Los errores de posicionamiento de los accionamientos se vuelven inevitables y pueden tener una influencia considerable en la calidad de las piezas.

Si se utiliza una regla para medir la posición del carro, el lazo de control incluye la mecánica completa del accionamiento de avance. Por ello, a esto se le denomina funcionamiento en lazo cerrado. La holgura y las imprecisiones de los elementos de transmisión de la máquina no tienen ninguna influencia sobre la precisión de la determinación de la posición. Esto significa que la precisión de la medición depende prácticamente sólo de la exactitud y la situación de montaje de la regla.

Esta consideración básica es aplicable tanto a ejes lineales como a ejes rotativos en los que la posición puede ser medida con un mecanismo reductor conectado a un encoder rotativo en el motor, o con un sistema angular de medida de alta precisión directamente en el eje de la máquina. Mediante sistemas angulares de medida se alcanzan grados de precisión y reproducibilidades significativamente superiores.

Efecto de la precisión del accionamiento sobre la fabricación de piezas
En el sector de fabricación de máquinas, la demanda de piezas pequeñas producidas en lotes pequeños se está incrementando considerablemente. La precisión de la primera pieza se convierte, por ello, en un importante factor económico para las empresas manufactureras. Las máquinas-herramienta para la producción de alta precisión de lotes pequeños afrontan un verdadero desafío. Constantes cambios de procesos –alineación de la pieza, taladrado, desbaste, acabado– causan continuas variaciones en las condiciones térmicas de la máquina.

Velocidades de avance típicas para el desbaste de una pieza varían entre 3 m/min y 4 m/min, mientras que las velocidades de avance para el acabado suelen oscilar entre 0,5 m/min y 1 m/min. Los movimientos rápidos durante los cambios de herramienta elevan aún más, y de forma significativa, la velocidad promedio. Los avances medios en los procesos de taladrado y escariado pueden despreciarse en cuanto a la generación de calor en los husillos de recirculación de bolas. Por los fuertes cambios de la velocidad de avance, la distribución de la temperatura a lo largo de los husillos de bolas varía durante los diferentes pasos individuales del proceso. En funcionamiento en lazo semicerrado, las variaciones de carga en los husillos de bolas pueden afectar la precisión de la pieza, incluso si las piezas se mecanizan de forma completa en un proceso único. Por ello, para una fabricación precisa de piezas pequeñas, son absolutamente necesarias máquinas-herramienta con reglas en funcionamiento en lazo cerrado.

Industria aeroespacial: componentes con alto grado de arranque de material
El uso de componentes integrales en la industria aeroespacial implica el beneficio de combinar la utilización óptima de las características del material con un peso mínimo. Componentes integrales típicos tienen un grado de arranque de material de 95% o más. Hoy, para los procesos de producción se utilizan máquinas-herramienta de muy altas prestaciones, capaces de grandes velocidades de avance y de corte. Debido al considerable grado de arranque de material de los componentes, son de una enorme importancia económica unos ratios elevados de arranque de material en los procesos de desbaste. Pero las velocidades de avance y las fuerzas de mecanizado resultantes generan también calor por fricción en los husillos de recirculación de bolas. Además, las pérdidas por rozamiento y la consiguiente dilatación térmica de los husillos a bolas varían durante el proceso de mecanizado, debido, por ejemplo, a diferentes velocidades de avance en el desbaste y el acabado. Durante la producción en serie de componentes integrales en cortos tiempos de mecanizado, el husillo de bolas se calienta más a medida que se incrementa el número de piezas del lote. Si los accionamientos de avance funcionan en lazo semicerrado (sin reglas), las tolerancias dimensionales difieren para cada una de las piezas fabricadas en lotes pequeños. Las dilataciones térmicas pueden impedir que se alcancen las tolerancias especificadas. Este tipo de fuente de errores puede prevenirse mediante el uso de reglas, en tanto que las dilataciones térmicas del husillo de bolas son totalmente compensadas con el funcionamiento en lazo cerrado.

La figura 2 describe la fabricación de una leva para la industria aeroespacial que requiere el mecanizado de dos taladros a una distancia de 350 mm uno de otro, con una tolerancia de grado IT7. A fin de evaluar la precisión que se puede alcanzar con funcionamiento en lazo semicerrado, se repite dos veces la fabricación del componente integral sobre la misma pieza. El segundo componente se mecaniza simplemente 10 mm por debajo del primero. Entre ambas operaciones de mecanizado se realizan en el aire veinte ciclos de mecanizado para la misma pieza.

En funcionamiento en lazo semicerrado, el contorno de la segunda pieza se desvía respecto del contorno de la primera, lo que puede reconocerse por una arista. Cuanto más se apartan los accionamientos durante el mecanizado de los rodamientos fijos del husillo de recirculación de bolas, más apreciable resulta en la pieza la dilatación térmica del husillo.

La dimensión funcional requerida de 350 mm con un grado de tolerancia de IT7 corresponde a una desviación admisible de ± 28 µm. El segundo componente mecanizado en funcionamiento en lazo semicerrado es incapaz de cumplir este requerimiento. La desviación es de 44 µm. Utilizando en esta prueba reglas en funcionamiento en lazo cerrado no aparece ninguna arista. Las desviaciones residuales de 10 µm que aparecen en funcionamiento en lazo cerrado se deben a distorsiones estructurales de la geometría de la máquina inducidas térmicamente. Las dimensiones especificadas para los dos taladros pueden, incluso, ser mejoradas a IT5. De esta forma se garantiza una precisión reproducible ya desde la primera pieza.

Cumpliendo las exigencias
El cumplimiento satisfactorio de pedidos de fabricación de piezas requiere máquinas-herramienta con una elevada estabilidad térmica. La precisión de la máquina debe mantenerse incluso en condiciones de carga fuertemente variables. Como consecuencia, los ejes de avance deben alcanzar la precisión requerida a lo largo de todo el recorrido, incluso con acentuadas variaciones de la velocidad y de las fuerzas de mecanizado. La dilatación térmica en los husillos de recirculación de bolas de ejes lineales afecta negativamente la precisión y varía en función de la velocidad y de la carga.

Durante un mecanizado pueden aparecer, en un intervalo de 20 minutos, errores de posición de hasta 100 µm o más si la determinación de la posición del carro se realiza únicamente mediante el paso del husillo y un encoder rotativo en el extremo del motor. Puesto que, utilizando este método, no son compensados errores esenciales del accionamiento en el lazo de control, este tipo de operación es denominado funcionamiento en lazo semicerrado del accionamiento. Estos errores pueden ser completamente eliminados utilizando reglas. La operación de accionamiento de avance con reglas se denomina funcionamiento en lazo cerrado, ya que los errores del husillo de recirculación de bolas son determinados por la regla y compensados en el lazo de control de posición. Los sistemas angulares utilizados en ejes rotativos aportan beneficios similares, ya que los componentes mecánicos del accionamiento también están sometidos a dilatación térmica. Los sistemas lineales (reglas) y angulares de medida aseguran, por ello, una elevada precisión de las piezas a fabricar, incluso con fuertes variaciones de las condiciones de trabajo de las máquinas-herramienta.