HSC: rápido, preciso y confiable

Los nuevos diseños de equipos de maquinado y de herramientas están enfocados en permitir que los pisos de producción sean más eficientes, con mayores í­ndices de productividad y rentabilidad. Variables tales como la reducción del desgaste en las herramientas y el combate a las altas temperaturas, a partir de la disminución de las fuerzas de fricción, son tomadas en cuenta en las tecnologí­as nacientes. En este texto, el autor nos invita a reflexionar sobre los beneficios ofrecidos por el mecanizado de alta velocidad: la precisión, la velocidad y la confiabilidad del proceso.

La historia se remonta a la década de los 30 del siglo pasado, cuando el investigador alemán Carl Salomon predijo que para bajas profundidades de corte existirí­a un valor de velocidad de avance a partir del cual la temperatura generada en los filos de las herramientas disminuirí­a entre más rápido sucediera el corte. Todo esto permitirí­a tener una mayor vida útil de las herramientas, al igual que un menor efecto negativo del calor sobre las piezas mecanizadas; sin embargo, esto solo pudo comprobarse varias décadas después, cuando los avances en los sistemas mecánicos de las máquinas herramienta permitieron alcanzar valores de corte en el orden de varios centenares (e incluso miles) de m/min.

A partir de allí­, se ha generado todo un movimiento especializado en el aprovechamiento de esta interesante propiedad de reducción de temperatura (y fuerzas de corte) a mayores velocidades, el cual se ha denominado comúnmente como HSC (High Speed Cutting, por su abreviatura en inglés).

Aun cuando se intenta relacionar el HSC con husillos que superan cierto rango de velocidades de rotación (más de 18.000 o 20.000 rpm, popularmente) es importante entender que los beneficios de cortar a bajas profundidades pero con muy altos avances, dependen de muchas más variables, que incluyen la combinación de material de corte y del inserto, el diámetro de la herramienta, el aprovechamiento de la geometrí­a del filo de corte a lo largo de la trayectoria determinada por el CAM, entre muchas otras.

Más rápido

Los beneficios del HSC, inicialmente aprovechados por la industria aeronáutica para la remoción de grandes volúmenes de aluminio en la fabricación de partes estructurales a tasas de hasta 12,800 mm3/min (equivalente a 35 kg de aluminio por minuto), se han expandido cada vez más hacia el mecanizado de partes para la industria en general, en materiales de mucha mayor dureza, como los aceros aleados.

De manera interesante, la disminución de desgaste en las herramientas, gracias a la reducción de temperaturas y fuerzas de corte, se logra disminuyendo el espesor de la viruta removida. Esto se puede alcanzar dando pasadas de la fresadora que solo utilizan de 5 a 20% del diámetro de la herramienta, compensándolo con pasadas mucho más rápidas de los ejes. De igual forma, entre más insertos de corte tenga la cabeza de la fresa, menor avance por diente se tiene y más tiempo de enfriamiento en el aire se logra hasta el punto en que el mismo filo vuelve a entrar en el material.

Todo esto unido al hecho que los materiales de los insertos y sus recubrimientos son cada vez más resistentes al impacto, a los choques térmicos, entre otros, y se pueden trabajar materiales de mucha mayor dureza a velocidades más altas.

Con respecto al tema de los recubrimientos, es importante asesorarse de la mejor manera posible sobre el tipo exacto que tienen los insertos adquiridos para cada aplicación especí­fica. Esto debido a que algunos requieren altas temperaturas para activar sus mejores propiedades de protección contra el desgaste.

Debido a esto, la necesidad de usar refrigerantes durante el mecanizado puede ser altamente reducida, o incluso no ser recomendable al causar grandes choques térmicos en la herramienta, generando así­ micro-fracturas en el recubrimiento y reduciendo la vida útil del inserto exponencialmente. No siempre, usar más refrigerante es mejor para el mecanizado.

Un punto crucial con respecto al tema de aumentar la productividad es el del software CAM que se utiliza para calcular la cantidad de material que está cortando la herramienta en cada momento. Este es un tema que se vuelve aún más crí­tico en geometrí­as donde el trabajo con 4 o 5 ejes es necesario.

En términos generales, el software debe calcular en todo momento el ángulo de inclinación de la herramienta con respecto a la pieza con el fin de mantener un

tamaño de viruta constante durante el tiempo de mecanizado, e incluso durante las aproximaciones y salidas. Esto depende por supuesto de la forma de los insertos, pero sobre todo del tipo de trayectorias que se calculen para recorrer una cavidad.

Aquí­ entran en juego las trayectorias trocoidales, ofrecidas por la mayorí­a de programas CAM hoy en dí­a. Estas aseguran que en ningún punto de la geometrí­a se recorren esquinas de manera continua, en las que se obligue a la herramienta a aumentar su avance de corte de manera drástica y gracias a las cuales se obliga a frenar la velocidad de los ejes.

Lo que se hace en cambio, es que se recorren trayectorias que simulan helicoides (o trocoides), en los que siempre se mantiene el mismo avance por diente y se garantiza un espesor de viruta constante manteniendo la velocidad de movimiento de los ejes en el máximo posible, aumentando así­ los valores de remoción de volumen de material notablemente con respecto a estrategias convencionales.

Es gracias a este tipo de mejoras que se ha logrado establecer el HSC más como una nueva forma de aproximarse a cómo se corta el material y menos a un valor exacto de avances en la máquina o rpm en los husillos.

Mayor precisión

Un beneficio fundamental del HSC es aumentar la productividad, al lograr obtener acabados finales o muy cercanos al final en tiempos menores a los que serí­an necesarios usando procesos de desbaste y acabado, incluso en máquinas distintas.

La suma de tiempos muertos debido al traslado y reconfiguración de las piezas hace en muchos casos directamente viable la inversión en una máquina capaz de hacer mecanizado de alta velocidad. Pero ¿qué está detrás de obtener una mejor precisión final en las piezas y a su vez un mejor acabado superficial? El primero de los aspectos es obviamente el tema de generar cortes de viruta de volumen más pequeño, que dejan marcas de menor tamaño sobre la superficie final, mejorando la rugosidad.

El siguiente aspecto es debido a las bajas fuerzas de corte producidas por la reducción del volumen de la viruta, que a su vez generan menores desviaciones en las herramientas y mucha menor tendencia a producir “chatter”, que es precisamente el efecto de vibración de la punta de herramienta sobre la superficie del material y que deja marcas indeseables sobre la pieza fabricada.

Un punto interesante de la disponibilidad de mecanizar con un rango más grande de velocidades de rotación, es que se puede estudiar cuáles son las frecuencias que mayor resonancia pueden causar en el sistema (máquina-husillo-herramienta-pieza-sistema de sujeción) con el fin de evitarlas durante el mecanizado.

Un aspecto adicional a tener en cuenta viene dado por la geometrí­a de la herramienta. Se ha expandido bastante el uso de herramientas de punta esférica para el trabajo de piezas complejas a alta velocidad, debido a la flexibilidad que permite su geometrí­a para que sus filos de corte se posicionen de la misma manera sobre la superficie de la pieza con menor dependencia del ángulo de inclinación del husillo.

Sin embargo, los últimos desarrollos evaluados por el instituto de investigación alemán WZL, en cabeza del profesor Fritz Klocke, han demostrado que el uso de herramientas con geometrí­a de barril, obtienen una mejor calidad superficial removiendo incluso más material por unidad de tiempo, que una fresa con geometrí­a esférica.

Klocke, durante una presentación magistral del Coloquio de Máquinas Herramienta de Aachen (AWK) aseguró que “las herramientas con forma de barril alcanzan rugosidades superficiales finales similares a las de las fabricadas con herramienta de bola, incluso con profundidades de corte y velocidades de avance cuatro veces mayores”.

Menos incertidumbre

El hecho de operar con menos fuerzas de corte y mayores posibilidades de reducir la temperatura sobre la herramienta hace claramente que pueda bajar su desgaste. Si a esto se le suma que el software CAM genera trayectorias que optimizan el uso del filo de corte para que en todo momento perciba una carga homogénea durante su interacción con el material, se estáreduciendo la posibilidad de generar problemas sobre la herramienta que causen su falla antes de lo esperado y se detenga la producción.

A su vez, el uso de maquinaria con capacidad de movimiento a alta velocidad, prácticamente le impone al usuario usar herramientas computacionales de simulación de su proceso de corte, para evitar posibles choques, interferencias y reducción de corte de aire.

Todo lo anterior mejora la confiabilidad de los resultados y permite que los operarios de los talleres puedan dedicar más tiempo a trabajos de optimización del desempeño de su empresa y menos en la pura revisión de los resultados obtenidos por la máquina a partir de ensayos de prueba y error.