Method: Phenomenographic approach

Algunas máquinas herramientas CNC disponen de mesas giratorias y/o cabezales para cabezales orientables. En ellas la pieza puede ser mecanizada por diferentes planos y ángulos de aproximación. Los ejes sobre los que giran estas mesas y cabezales se controlan de forma independiente y se conocen con el nombre de ejes complementarios de rotación. Su velocidad se regula también de forma autónoma.

Los ejes complementarios de rotación se designan en la programación CNC como A, B, C. Debido a las exigencias impuestas por la complejidad de ciertas piezas otras máquinas herramientas CNC están dotadas de más de tres ejes de desplazamiento principal.

Los centros de mecanizado presentan usualmente en adición a los tres principales, un cuarto eje para la orientación del cabezal, un quinto para el giro de la mesa y hasta un sexto (W) de aproximación de la herramienta. La trayectoria de la herramienta se define mediante la composición de los desplazamientos en X, Y y Z.

Máquinas Herramienta de Cinco Ejes

En el mercado existen máquinas herramienta con distintas formas de desplazamiento rotativo, y cada diseño tiene sus características y ventajas particulares. Hace ya algunos años las compañías podían reducir gastos y tiempo de trabajo gracias a sus transportadores de paletas, o dejando trabajar las máquinas en baja velocidad durante un montaje en otro cabezal en la misma máquinas herramientas.

Ahora las compañías pueden aprovechar sus máquinas herramientas reduciendo los tiempos de montaje aún más por medio del mecanizado de cinco ejes.

En esta sección se estudian las máquinas que ofrecen diferentes estrategias de manejo del pivote de los ejes de giro, las cuales pueden realizar una gran variedad de trabajos de cinco ejes en los que durante el mecanizado se realizan desplazamientos simultáneos en los ejes lineales y rotativos.

Además de estos mecanizados de superficies onduladas, el quinto eje cumple su función reorientando la herramienta y/o la pieza de trabajo en la dirección del corte. El movimiento de rotación economiza:

• Tiempo de montaje, permitiéndole al husillo alcanzar caras opuestas de la pieza de trabajo en un solo montaje.

• Costos de herramental, al permitir el montaje con inclinación de herramientas estándar de fresado para mecanizar superficies inclinadas, que de otra forma requerirían el uso de una herramienta especial.

En las máquinas de cinco ejes existe una gran diferencia en la forma en como mueven sus ejes rotativos, algunos pivotean la mesa, otros el cabezal del husillo y otros hacen las dos cosas, y cada forma de pivoteo en la máquinas herramientas de cinco ejes repercute directamente en el tipo de trabajo que se puede realizar en ésta. Por lo tanto cada método de movimiento de los ejes rotativos hace a cada máquina de 5 ejes ser la mejor para procesar una geometría de pieza en particular.

A continuación se revisan las características y el trabajo ideal que puede realizarse en diferentes máquinas herramientas de cinco ejes.

Máquina torno/fresa con eje B

Los ejes adicionales rotativos de fresado de estas máquinas les permiten completar muchos tipos de piezas complejas en un solo montaje. Dentro de la categoría de las máquinas torno/fresa están las máquinas con eje-B, de tornear, que incluye funciones de fresado de cinco ejes. La adquisición de una máquina con eje-B requiere una inversión significativa en dinero y en tiempo. Además, tiene un precio 20% mayor, comparada con las máquinas torno/fresa de similar capacidad, pero sin las funciones de eje-B. Sin embargo, para los talleres que produzcan piezas que puedan beneficiarse con el mecanizado del eje-B, las ganancias en productividad brindadas por estas máquinas justifican con creces el gasto adicional.

El eje B

La máquina con eje-B combina las capacidades de torneado de una máquina de tornear horizontal/vertical con las capacidades de fresado y mecanizado de un centro de mecanizado de cinco ejes. Como las máquinas tradicionales torno/fresa, las máquinas-herramienta con eje-B proporcionan control sobre los ejes Z-X (torneado) y C (rotativo de fresado). El cabezal eje-B, utilizado como un husillo de fresar o como un portaherramientas de torneado, le permite a la máquina completar todo el torneado y el fresado en un solo montaje. Estas máquinas-herramienta también le dan al usuario control sobre el eje Y para operaciones de fresado fuera de centro. Sin embargo, la capacidad del eje-B hace diferentes a estas máquinas.

El eje-B es definido como una rotación alrededor del eje Y, y este posicionamiento de quinto eje hace posibles los cortes con ángulos compuestos. La capacidad del eje-B le da a la máquina soporte total para fresado indexado de cinco ejes y fresado de forma libre simultánea en tres dimensiones y con cinco ejes. La máquina de eje-B es, literalmente, una máquina que hace el trabajo de dos, ya que soporta el rango completo de operaciones posibles de torneado y fresado, con la ventaja de hacerlo en un solo montaje.

Las máquinas con eje-B incrementan la exactitud de las piezas porque mantienen unas tolerancias muy ajustadas entre los rasgos torneados y fresados. Por ejemplo, cuando el cuerpo de una herramienta de corte es mecanizado en una máquina con eje-B, resulta más fácil mantener las tolerancias geométricas entre las operaciones de fresado y torneado.

Cuando están equipadas con husillos duales, el rango de mecanizado expandido de las máquinas con eje-B les permite realizar operaciones de torneado y fresado en el frente y en la parte posterior de la pieza. Cada husillo (principal y secundario), que actúa como un soporte de pieza, permite cortes simultáneos de cinco ejes en el frente y en la parte posterior de la pieza, completándola en un solo montaje. Un trabajo que antes requería cuatro montajes (torneado frontal, torneado posterior, fresado frontal y fresado posterior) puede ser reducido a un solo montaje en una máquina con capacidad de eje-B.

Aspecto de las piezas de eje-B

Las piezas cilíndricas con rasgos fresados en ángulos compuestos o en caras múltiples son sorprendentemente comunes. Las piezas utilizadas en industrias de equipo pesado y de servicios petroleros y que producen piezas que demandan contorneados y terminados de cinco ejes pueden ser fabricadas eficientemente en máquinas con eje-B, con lo que se puede fabricar ejes con estrías, ranuras y caras en ángulos compuestos. Las máquinas con eje-B también pueden fabricar piezas intrincadas y de múltiples caras, como cuerpos de herramientas y portaherramientas. El tamaño de las piezas eje-B puede variar considerablemente. Piezas tan pequeñas como un engranaje de 0,04" de diámetro o tan grandes como una fundición metálica pueden beneficiarse con el mecanizado de eje-B. Existen máquinas con eje-B diseñadas para manejar piezas grandes y pesadas, como fundiciones y forjas, las cuales pueden acomodar piezas de trabajo hasta de 17" de diámetro. También se encuentran en el mercado modelos más pequeños de máquina con eje-B, con aproximadamente la mitad del peso y tamaño que la mencionada anteriormente, apropiada para el mecanizado de piezas de eje-B más pequeñas, como algunas que no superan los 8" de diámetro.

Máquinas herramientas con mesa rotativa y cabezal de husillo pivotante

Este tipo de máquinas son centros de mecanizado que tienen mesa rotativa de 360º debajo de la pieza de trabajo, la cual también puede girar durante el corte, lo cual se complementa con un eje A de pivote, que posiciona el cabezal del husillo desde 30º sobre la horizontal, hasta 30º por debajo. Algunas máquinas de este tipo ofrecen una zona de trabajo de 50" de diámetro por 50" de alto.

Las piezas que pueden ser ideales para esta máquina son cilindros con huecos alrededor de la periferia, en particular con orificios en ángulo. Un ejemplo es el alojamiento de una turbina.

En una pieza como ésta el mismo orificio aparece en varias localizaciones alrededor del diámetro exterior. Cuando este es el caso, una máquina con ese diseño puede posicionarse de un hueco al siguiente, con un movimiento en un solo eje.

Cualquier otro tipo de máquina de cinco ejes tendría que desplazarse de un orificio radial a otro en una pieza cilíndrica, utilizando movimientos al menos en dos ejes, e incluso podrían ser más.

Pero en una máquina de mesa rotativa y cabezal pivotante, la herramienta sólo tiene que ser inclinada al ángulo correcto para el orificio una sola vez, y el cabezal del husillo únicamente tiene que ser posicionado en X, Y y Z, una sola vez.

Otra fortaleza de este diseño de máquina se relaciona con el tamaño de la pieza. Entre menos ejes rotativos muevan la pieza, la máquina podrá recibir piezas más grandes. Esta máquina rota la pieza en B, así el giro de la pieza está limitado a este eje. Sin embargo, como este es el único pivote de la pieza de trabajo la máquina puede manejar piezas altas de una manera efectiva.

Las máquinas de cinco ejes que manejan los dos pivotes en la mesa generalmente están limitadas a piezas que son pequeñas en relación con los desplazamientos lineales.

La desventaja en este tipo de máquinas es que si se elimina un eje de la mesa tiene que ser implementado en el cabezal del husillo. Mientras un pivote en la mesa limita las dimensiones de la pieza de trabajo, un pivote en el cabezal del husillo hace las dimensiones de la herramienta más difíciles de manejar.

Doble mesa giratoria

Con frecuencia, los centros de mecanizado horizontales con ejes de mesa rotativa, cuentan con un eje rotativo secundario llamado unidad de eje A de 360º con la posibilidad de ser montada en la mesa principal. Esta unidad de eje A puede ser montada a lo largo de la mesa principal, la cual puede ser tan grande que da una mayor flexibilidad.

Las piezas que se recomiendan fabricar en este tipo de máquinas son las que presentan un anillo de orificios paralelos al husillo (como una brida), en general, las piezas cilíndricas que requieren mecanizado alrededor de su diámetro exterior. Cuando se agrega la segunda mesa

giratoria el tamaño de la pieza es más restringido, pero aún con este eje instalado, este modelo es el mejor tipo de máquina de cinco ejes para el uso de herramientas o extensiones largas, en especial en ángulos poco comunes.

Otras máquinas no ofrecen suficiente desplazamiento, alejándose de la pieza para permitir el paso de herramientas largas. Una medida común en este tipo de máquinas es la que tiene 36" de desplazamiento en el eje Z, con 40" de desplazamiento en el eje W.

Una pieza de cinco ejes que requiera de cortes pesados requiere un cabezal del husillo fijo. Ninguna máquina de cinco ejes podrá efectuar un corte más profundo de lo que pueda soportar el eje rotativo, y los rodamientos para una mesa rotativa son, en términos generales, más grandes que los de un cabezal de husillo pivotado.

Cabezal de husillo de doble pivote

Este tipo de máquina combina un eje C de 360º con un pivote en B de 135º. Se pierde algo de rigidez al colocar los dos pivotes en el husillo, pero esto se compensa con la ganancia en flexibilidad.

Cualquier máquina de cinco ejes con mesa rotativa tiende a favorecer las piezas redondas, y

este diseño de doble pivote en el husillo hace a la máquina ideal para piezas que definitivamente no son redondas. Esta es una máquina muy eficiente para el mecanizado en un

solo montaje de piezas largas, particularmente aquellas con huecos y ángulos poco comunes en toda su longitud.

Mesa rotativa + mesa Trunnion en una máquina compacta

Este diseño es similar a la solución de doble mesa rotativa, pero con dos pivotes debajo de la pieza de trabajo y ninguno en el cabezal del husillo. Este eje Trunnion, referido como eje "B" se localiza en un ángulo de 45º con respecto a Y. En este caso, el husillo fijo convierte a esta máquina de cinco ejes en pequeña y accesible, pero que no está en capacidad de realizar cortes fuertes.

La máquina mesa rotativa/Trunnion no puede aceptar piezas grandes pero hace que el trabajo de mecanizado de cinco ejes de piezas pequeñas sea económico. Además, el diseño vertical hace

que los operadores la puedan cargar y descargar más fácilmente, permitiendo que el fabricante realice trabajos de mecanizado de piezas que no serían prácticos de trabajar en las otras máquinas de cinco ejes.

Se considera que esta es una máquina de cinco ejes muy precisa. En la práctica, los diseños de cabezal de husillo pivotante pierden precisión por la incertidumbre en los parámetros de las herramientas. De la misma manera, una máquina de doble mesa giratoria tiene la incertidumbre del sitio de colocación del eje A con respecto al pivote B. Por esta razón, esta máquina puede ayudar al mecanizado continuo de piezas no muy grandes de 5 ejes.

Aunque los trabajos de cinco ejes en su mayoría son grandes, esto puede deberse a que tradicionalmente las máquinas de cinco ejes han sido históricamente grandes, construidas bajo pedido. Hoy muchos fabricantes están ofreciendo máquinas de cinco ejes que se alejan de esta tradición.