Guía para mejorar la eficiencia del mecanizado de alta velocidad con microherramientas en máquinas CNC

Esta guía describe los beneficios de usar velocidades ultra altas al mecanizar metales no ferrosos y plásticos con microherramientas. Los temas tratados incluyen la definición de microherramientas para el mecanizado de alta velocidad, los desafíos del mecanizado con microherramientas, la tecnología disponibles, y los avances y velocidades maximizados que resultan de usar las nuevas tecnologías.

Las microherramientas involucran fresas y taladros con un diámetro de 0.250” o menos. Se requiere para mecanizado muy intrincado o detallado, y funciona mejor con husillos diseñados para la alta velocidad.

El mecanizado de alta velocidad no tiene una definición establecida ni parámetros absolutos, pero una definición factible es el mecanizado con husillo a velocidades de 25.000 RPM o más.

Los retos mejorar la eficiencia del mecanizado de alta velocidad

Con una tendencia hacia la miniaturización en la fabricación, los tamaños de las piezas de trabajo están disminuyendo y las versiones de las piezas están aumentando. Entonces, el uso de microherramientas es cada vez más frecuente. Sin embargo, el uso eficiente y rentable de estas pequeñas herramientas requiere tanto la previsión de emplear equipos diseñados específicamente para ellos como la voluntad de desviarse del estándar de prácticas tradicionales de mecanizado y adquirir nuevas tecnologías. Esto se debe principalmente al hecho de que los husillos de los equipos CNC convencionales no pueden lograr las precisiones a las velocidades de trabajo requeridas.

La tendencia en productividad del mecanizado de precisión es trabajar a velocidades RPM más altas para herramientas de diámetro cada vez más pequeño. Como ejemplo, un centro de trabajo de mecanizado CNC convencional que trabaje con  herramientas de menos de ½» de diámetro a 10 000 RPM o menos darán como resultado tasas de avance desfavorables y costosas roturas de la herramienta.

A menudo, la rotura de las herramientas se atribuye a un error del operador, a parámetros de mecanizado incorrectos o, peor aún, simplemente a la naturaleza de las piezas pequeñas. La realidad es que estos elevados costos por rotura de herramientas se deben a la fuerza del eje pesado de una máquina convencional y su incapacidad para alcanzar las altas RPM necesarias para evacuar eficazmente las virutas del canal de corte.

Tecnología disponible para optimizar la eficiencia del mecanizado de alta velocidad

El mejor enfoque para mecanizar eficientemente con herramientas pequeñas es un proceso triple. Los tres elementos interrelacionados son:

1. Tecnología de mecanizado de alta velocidad: Cuanto más pequeñas sean las herramientas, mayor será la velocidad del husillo necesaria para mecanizar eficientemente piezas con la calidad requerida y evitar roturas de herramientas. Husillos de alto rendimiento trabajando a velocidades de 40 000 RPM y superiores son ideales para fresado, taladrado, fresado de roscas y grabado utilizando microherramientas.
   La tecnología de mecanizado de alta velocidad utiliza índices de RPM elevados, con un paso más pequeño, pero con velocidades de avance significativamente mayores. Supongamos que  pasa su mano a través de la llama de una vela encendida. Si usted la mueve demasiado despacio, hay tiempo suficiente para que la llama cause daños. Pero si barres tu mano rápidamente a través de la llama, no hay tiempo suficiente para que el fuego dañe tu piel. El principio se aplica al mecanizado de alta velocidad con microherramientas. Muévete rápido, y no hay suficiente tiempo para que el calor regrese a la pieza y cause problemas.
   Durante el proceso de mecanizado, la herramienta extrae continuamente una viruta de la pieza de trabajo. El calor generado se desarrolla aproximadamente en un 40 % por la fricción en cada lado de la herramienta y en un 20 % por la deformación (flexión) de la viruta. Por lo tanto, alrededor del 60 % del calor está dentro del chip. El mecanizado de alta velocidad intenta evacuar la mayor parte del calor con la viruta, proporcionando un corte más limpio. La mejor calidad de mecanizado se basa en herramientas más frías, fuerzas de mecanizado más bajas y, por lo tanto, menos vibración.
   La alta velocidad del husillo reduce la carga de viruta a menos de 0,005”. Una carga tan baja significativamente reduce las fuerzas entre la herramienta y el material. Rendimientos de mecanizado de alta velocidad/baja fuerza con menos calor, reduce la desviación de la herramienta y permite el mecanizado de piezas de trabajo de paredes más delgadas. Todo estobda como resultado un mecanizado más frío, calidades superiores de superficie y borde, mejor precisión y, como resultado subproducto (de baja fuerza), sujeción más fácil, ya que se pueden emplear mesas de vacío modulares para una configuración rápida y un cambio de trabajo.
2. Diseño optimizado de microherramientas: Reducir la geometría de la herramientas de mayor diámetro a un formato más pequeño produce velocidades de alimentación inaceptables y acabados insatisfactorios. Los requerimientos de trabajo cambian cuando se reduce el diámetro de la herramienta y aumenta la velocidad del husillo. Las Herramientas convencionales no son apropiadas para aplicaciones de donde se requieren microherramientas. Esto se debe principalmente a las altas velocidades de RPM necesarias cuando trabajamos con diámetros más pequeños.
   El aumento de las tasas de RPM requiere herramientas debidamente equilibradas con un espacio significativamente mayor para las virutas que garantice una eliminación adecuada de las mismas y evitar que se quemen. El mecanizado eficiente con herramientas pequeñas requiere que estas se optimicen específicamente para el trabajo de alta velocidades en aplicaciones de mecanizado. La geometría adecuada de microherramientas, junto con husillos de alta velocidad y el refrigerante ideal, puede eliminar totalmente el desbarbado y el desengrasado como operaciones secundarias.
3. Refrigerante de baja viscosidad: Si bien el mecanizado de alta velocidad reduce inherentemente el calor, la tarea de enfriar una microherramienta que se mueve rápidamente a menudo requiere un buen refrigerante. Los técnicos de mecanizado que trabajan habitualmente con herramientas pequeñas comprenden que el refrigerante utilizado con equipos CNC convencionales no es óptimo, y este es un ejemplo perfecto de dónde es necesario pensar «fuera de la caja» al emprender aplicaciones que requieren maquinado de alta velocidad.
   Una herramienta pequeña con geometría intrincada que gira a RPM extremadamente altas requiere un sistema de refrigeración y un agente lubricante con una viscosidad más baja que el agua. Se necesita una viscosidad más baja porque el refrigerante requiere llegar al filo de la herramienta a pesar de las altas velocidades del husillo involucradas. Los refrigerantes a base de emulsión tienen una viscosidad más alta que el agua y, por lo tanto, no son efectivos como lubricante para mecanizado de alta velocidad con microherramientas.
   Algunos sistemas de rociado de refrigerante de microvolumen pueden usar etanol, una forma de alcohol que se produce naturalmente en el proceso de fermentación del azúcar y presenta una viscosidad inferior a la del agua. El bajo punto de evaporación del etanol lo convierte en un agente refrigerante y lubricante extremadamente eficiente para operaciones de mecanizado de alta velocidad. Además, mientras que el refrigerante de inundación convencional es a base de petróleo y debe desecharse correctamente, el etanol simplemente se evapora. Esto elimina los costos asociados con la disposición. Además, el etanol como refrigerante no deja residuos en las piezas mecanizadas, eliminando así la costosa operación secundaria de desengrasado de piezas.

Dinámica de la máquina para aumentar la eficiencia en el mecanizado

El uso de microherramientas pequeñas no es tan fácil como encontrar un adaptador para sujetar una herramienta diminuta en un husillo cónico 40 en un CNC convencional. Debido a que ese husillo fue diseñado para herramientas grandes como un cortador de mosca de 3 pulgadas destinado a «acaparar» cortes profundos en áreas densas. Como tal, tiene tanto torque y fuerza que solo rompe herramientas pequeñas, lo cual es ineficiente y muy costoso en el tiempo. La única opción que tiene un operador en esta situación es reducir las RPM y las velocidades de avance a un mínimo, y esto tampoco es eficiente porque da como resultado tiempos de ciclo de trabajo inaceptables.

Una analogía vívida, y tal vez cómica, es la camioneta pick-up con motor  frente al automóvil deportivo. La realidad es que no es pensable comparar los dos vehículos o incluso considerar competir entre sí. ¿Por qué? Porque la camioneta pick-up  fue diseñada con la potencia y la fuerza para transportar o remolcar una masa enorme, mientras que el automóvil deportivo fue diseñado para la velocidad y la maniobrabilidad.

En esencia, los fabricantes de maquinaría CNC convencionales que promocionan la capacidad de ejecutar microherramientas son como un fabricante de automóviles que pone un spoiler y rayas de carreras en un vehículo de carreras afirmando que ahora posee las mismas cualidades que un Porche. Bueno, al igual que no puedes poner un alerón y rayas de carreras en una camioneta y espera que funcione como un automóvil deportivo, no puedes adaptar un eje de alta velocidad en un máquina convencional tosca y esperar que logre eficientemente el mecanizado de alta velocidad con microherramientas.

Al diseñar una máquina, puede ir en una de dos direcciones. Puedes construir tu máquina con un motor grande y una masa pesada para proporcionar la fuerza y el par para impulsar herramientas grandes. O puede construir una máquina más liviana con un husillo de alta velocidad y baja fuerza, diseñado específicamente para microherramientas.

Ciertamente, ambos tipos de máquinas pueden ser multipropósito y realizar una variedad de funciones, como fresado, grabado, taladrado, roscado. Pero ahí es donde termina la función multifunción. Al final, si la eficiencia y la calidad son importantes para usted y necesita producir piezas grandes y pequeñas, terminará con ambos tipos de máquinas funcionando uno al lado del otro en el mismo piso de la planta. Si bien esto puede parecer una duplicación en términos de gastos de equipo, los costos son rápidamente amortizables a través del R.O.I, la eficiencia y la versatilidad producirá mejores piezas, más rápido, a un menor costo.

Teniendo en cuenta exclusivamente los centros de mecanizado de alta velocidad, la mejor manera de abordar las aplicaciones de microherramientas para mejorar la eficiencia en el mecanizado es emplear equipos que exhiban los atributos clave detallados anteriormente (tecnología de mecanizado de alta velocidad, microherramienta optimizada, diseño y refrigerante de baja viscosidad) todos trabajando juntos sinérgicamente.

Si se aplica en conjunto, este triple proceso puede proporcionar impresionantes velocidades de fabricación y una mejor calidad del producto. Pero los beneficios no se detienen ahí. Además, este proceso puede eliminar totalmente las operaciones secundarias como el desbarbado y el desengrasado.

Todo se reduce a usar las herramientas correctas para el trabajo correcto.  Las máquinas CNC convencionales con husillos de baja velocidad y alta fuerza no pueden cumplir con los criterios para un mecanizado eficiente con herramientas pequeñas. Solo una máquina construida desde cero, con el único propósito de mecanizar a alta velocidad con microherramientas, brindará la eficiencia y calidad necesarias para fabricar las piezas más pequeñas e intrincadas.

El mecanizado de alta velocidad con microherramientas ofrece menor fuerza, menos rotura de herramientas, sin un aumento de la temperatura, mejor acabado superficial, eliminación de operaciones de desbarbado y desengrasado y menor vibración de la herramienta. Velocidades de husillo entre 25.000 y 60.000 RPM dan como resultado eficiencia con herramientas pequeñas, mejor calidad de las piezas y tiempos de ciclo de trabajo mejorados.

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