Una tendencia muy constante a través de la historia del maquinado de metales ha sido el uso de velocidades de corte cada vez más elevadas. En años recientes, se ha presentado un gran interés en esta área debido a su potencial para alcanzar volúmenes de producción más elevados, tiempos y costos más reducidos y una mejor calidad de las piezas. En su de- finición más simple, el maquinado a alta velocidad (HSM) significa utilizar velocidades de corte que sean significativamente más elevadas que las utilizadas en las operaciones de maquinado convencional. En la tabla 22.1 se presenta algunos ejemplos de valores de velocidades de corte para corte convencional y de alta velocidad, de acuerdo con los datos recabados por Kennametal, Inc.1
Se han creado otras definiciones de HSM para tratar con una amplia variedad de materiales de trabajo y para herramientas que se utilizan en el maquinado. Una definición popular de HSM es la relación DN, el diámetro de la broca (mm) multiplicado por la velo- cidad máxima del husillo (rev/min). En el maquinado de alta velocidad, la relación DN tí- pica es entre 500 000 y 1 000 000. Esta definición permite que cojinetes de mayor diámetro se ubiquen dentro del rango de HSM, a pesar de que operen a velocidades rotacionales menores que los cojinetes más pequeños. Las velocidades de husillo HSM típicas se en- cuentran en el rango de entre 8 000 y 35 000 rpm, aunque algunos husillos en la actualidad están diseñados para girar a 100 000 rpm.
Otra definición de HSM se basa en el cociente de los caballos de fuerza y la velocidad máxima del husillo, también conocida como relación hp/rpm. Las máquinas herramienta convencionales usualmente tienen una relación hp/rpm más elevada que las máquinas equipadas para el maquinado a alta velocidad. Mediante esta medida, la línea divisoria entre el maquinado convencional y el HSM es de alrededor de 0.005 hp/rpm. Por lo tanto, el maquinado a alta velocidad incluye husillos de 50 hp capaces de girar a 10 000 rpm (0.005 hp/rpm) y husillos de 15 hp capaces de girar a 30 000 rpm (0.0005 hp/rpm).
Otras definiciones se enfocan en velocidades de producción más elevadas y tiempos más reducidos, en lugar de basarse en la funcionalidad de la velocidad del husillo. En este
caso, entran en juego algunos factores importantes que no se refieren al corte, tales como velocidades de transferencia elevadas y cambios rápidos en las herramientas automáticas (tiempos de “viruta a viruta” de 7 segundos o menores).
Los requerimientos del maquinado de alta velocidad incluyen lo siguiente: 1) husillos de alta velocidad utilizando cojinetes diseñados para brindar una operación a elevadas rpm; 2) alta velocidad de avance, típicamente de alrededor de 50 m/min (2 000 in/min); 3) controles de movimiento CNC con características de “ver hacia delante” que le permitan al controlador ver cambios de dirección por venir y hacer ajustes a fin de evitar el bajo o sobre disparo respecto a la trayectoria deseada de la herramienta; 4) herramientas para el corte balanceado, sujetadores de herramientas y husillos para minimizar los efectos de la vibración; 5) sistemas de entrega de anticongelante que brinden presiones en orden de magnitud mayores que en el caso del maquinado convencional; y 6) sistemas de control y remoción de viruta que sean lo suficientemente eficaces para lidiar con altas velocidades de remoción de metal características del HSM. También son importantes los materiales para las herramientas de corte. Como se muestra en la tabla 22.1, diferentes materiales se utilizan en el maquinado a alta velocidad, los cuales se estudiarán en el capítulo siguiente.
Las aplicaciones de HSM parecen dividirse en tres categorías [3]. Una es en la indus- tria aeronáutica, en compañías como Boeing, en las que componentes estructurales de gran longitud se maquinan a partir de grandes bloques de aluminio. Se requiere de la remoción de mucho metal, en su mayoría a través de fresado. Las piezas resultantes se caracterizan por paredes delgadas y relaciones superficie-a-volumen elevadas, sin embargo, pueden fa- bricarse de una manera más rápida y confiable que bloques que estén formados por múlti- ples componentes y uniones remachadas. Una segunda categoría involucra el maquinado de aluminio mediante operaciones múltiples para fabricar una gran variedad de componentes para industrias como la automotriz, de cómputo y médica. Un gran número de operaciones de corte significa muchos cambios de herramienta, así como aceleraciones y desaceleracio- nes del maquinado. Por lo tanto, son de gran importancia en estas aplicaciones los cambios de herramienta rápidos así como el control de la trayectoria de la herramienta. La tercera categoría de las aplicaciones de HSM es en la industria del troquel y del molde, la cual fa- brica formas complejas a partir de materiales rígidos. En este caso, el maquinado a alta ve- locidad involucra un gran trabajo de remoción de material para crear el molde o cavidad del troquel y de operaciones de terminado a fin de alcanzar acabados finos en las superficies.
REFERENCIAS
TA BLA 22.1 Tabla comparativa de las velocidades de corte utilizadas en el maquinado convencional versus el de alta velocidad para determinados materiales de trabajo.
Herramientas sólidas (fresas escariadoras, taladros)a
Herramientas indexables (molinos frontales)a
Velocidad alta de corte Velocidad convencional Velocidad alta de corte Material de trabajo m/min ft/min m/min ft/min m/min ft/min m/min ft/min
Aluminio 300+ 1000+ 3000+ 10000+ 600+ 2000+ 3600+ 12000+
Acero fundido, suave 150 500 360 1 200 360 1 200 1 200 4 000
Acero fundido, dúctil 105 350 250 800 250 800 900 3 000
Acero, maquinado libre 105 350 360 1 200 360 1 200 600 2 000
Acero, aleación 75 250 250 800 210 700 360 1 200
Titanio 40 125 60 200 45 150 99 300
Fuente:Kennametal, Inc. [3].
aLas herramientas sólidas están hechas de una pieza sólida, las herramientas indexables utilizan insertos indexables. Los materiales apropiados de las herramientas son el carburo cementado y el carburo con revestimiento de varios grados para todos los materiales, cerámicos para todos los materiales, herramientas de diamante policristalino para el aluminio, y nitrito de boro cúbico para aceros (véase la sección 23.2 para un estudio de estos materiales usados en las herramientas).
Velocidad convencional
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