Para qué sirve el fresado en duro

Los actuales fabricantes de moldes buscan reducir los plazos de entrega a la vez que producen moldes de gran precisión. Y cuando las aplicaciones de moldes y troqueles requieren el fresado en duro de materiales de hasta 66 HRC, es fundamental utilizar las fresas adecuadas, los parámetros de corte y los métodos de maquinado para conseguir los objetivos.

El fresado en duro es un reto debido a varios factores, entre ellos el de mecanizar aceros endurecidos con filos cortantes definidos. El fresado de estos materiales requiere centros de mecanizado de alta velocidad configurados para el fresado en duro, junto con un CAD/CAM programado en concordancia.

Mediante los end mills de metal duro más modernos, junto con el portaherramientas, la sujeción del trabajo, los avances, las velocidades y la refrigeración adecuados, los fabricantes pueden producir moldes complejos de forma fiable y económica, mecanizar con precisión contornos complicados y omitir por completo, o al menos parcialmente, el dispendioso reproceso de rectificación o pulido.

Emuge, fabricante alemán de herramientas de corte, recomienda elegir fresas que cumplan los siguientes requisitos: sustrato de metal duro sólido, con alta dureza y tenacidad en caliente; revestimiento y geometría de corte adaptados a la dureza del material, y concentricidad de la herramienta no superior a 5 micras (el cumplimiento de este requisito prolonga la vida útil de la herramienta y permite una excelente calidad de acabado superficial).

La determinación de los parámetros y métodos de corte óptimos dará los mejores resultados para el fresado en duro de moldes. Por ello se deben seleccionar la velocidad y el avance recomendados para el tipo de pieza y la dureza del material, así como las condiciones de acoplamiento de la herramienta. Para cada aplicación es recomendable consultar a un proveedor de herramientas con el fin de obtener recomendaciones de datos técnicos en aplicaciones específicas.

De acuerdo con Emuge, para el fresado en duro es preferible el mecanizado en seco, que evita grietas térmicas en la herramienta de corte. Por ejemplo, cuando se utilizan fresas de varios filos, el aire frío proporciona una refrigeración eficaz de los filos cortantes de la herramienta, lo que da lugar a una eliminación eficiente del material de las virutas.

El aire refrigerado reduce las temperaturas en la zona de corte, lo que a su vez permite alcanzar mayores velocidades de corte y alargar la vida útil de la herramienta hasta un 30 %.

Este tipo de refrigeración permite que los modernos recubrimientos de TiALN alcancen todo su potencial y evita que el filo cortante se dañe por el choque térmico. Además, la boquilla de aire frío ayuda a eliminar las diminutas virutas que se producen en el fresado de copias, incluso en los huecos o cavidades profundas del molde.

La sujeción adecuada de la herramienta y la pieza de trabajo también es importante para el éxito del fresado en duro, incluida una alta rigidez y una buena amortiguación de las vibraciones de la máquina-herramienta y de los dispositivos de sujeción de la pieza, así como una alta concentricidad del portaherramientas para obtener excelente calidad de acabado superficial y una vida útil constante de la herramienta.

El fresado en duro con end mills de carburo sólido es una forma establecida y fiable de fabricar moldes con una dureza de hasta 66 HRC. Las operaciones secundarias y de rectificación pueden omitirse para aumentar la productividad y ahorrar enormes costos.

Cómo fresar en duro de forma eficaz

El fresado en duro requiere gran atención a los detalles para conseguir el máximo rendimiento y vida útil de la herramienta y tolerancias ajustadas de hasta 0.0001 pulgadas. Estos consejos ayudan a los operadores a sacar ventajas del fresado en frío.

De acuerdo con Jay Ball, gerente de producto de end mills de carburo sólido para NAFTA en Seco Tools, existen cinco reglas para mejorar el rendimiento y la vida útil de los cortadores, a la vez que se mantienen tolerancias estrictas durante el fresado en duro.

Mantenga una carga de viruta y una velocidad de avance constantes

Las máquinas-herramienta fluctúan rápidamente las velocidades de avance cuando se mecanizan superficies y trayectorias de corte complejas, lo que disminuye de manera drástica la vida de la herramienta. Los operadores deben comprender que, al mecanizar superficies complejas, las máquinas-herramienta no reducen las revoluciones junto con las reducciones de la velocidad de avance. Por lo tanto, si la máquina no puede mantener las velocidades de avance programadas durante el 80 % del tiempo, los operarios deben registrar las velocidades de avance medias y luego reducir las velocidades de avance y las rpm en concordancia.

Por ejemplo, si un operario programa 30,000 rpm y un avance de 150 ipm, pero la máquina solo puede mantener un avance medio de 75 ipm, el operario debe reducir las rpm a 15,000. La consiguiente reducción de las rpm aumentará la vida útil de la herramienta en un 50 % y tendrá un impacto insignificante en el tiempo de ciclo.

No deje material extra para el acabado

Cuando los operadores mecanizan aceros para herramientas de más de 48 HRC, el exceso de material de acabado reducirá el rendimiento y causará estragos en el acabado superficial y la vida útil de la herramienta.

Una regla general para la asignación de material de acabado es del 1 al 2 % del diámetro del cortador de acabado. La mayoría de los fabricantes de herramientas de corte basan sus datos de corte de acabado en un 1 a 2 % del compromiso del diámetro del herramental, por lo que dejar más que eso disminuye la productividad. Por ejemplo, cuando se utiliza una herramienta con un diámetro de 0.5 pulgadas, no hay que dejar más de 0.005 a 0.010 pulgadas de material de acabado.

Deje material consistente en todas las superficies

Después de que un operador desbaste una superficie compleja, debe ejecutar una trayectoria de herramientas de desbaste y semiacabado para garantizar un material de acabado uniforme en todas las superficies.

Por ejemplo, cuando un operador desbasta una superficie compleja en 3D con end mills de punta de bola de 12 milímetros, y el diámetro de la fresa de acabado previsto es de 8 milímetros, una práctica segura para garantizar un material de 0.003 a 0.006 pulgadas en todas las superficies es realizar un desbaste en reposo con un end mill de punta de bola de 10 milímetros y luego un semiacabado con otro end mill de 8 milímetros. A continuación, el operador debe realizar el fresado de acabado con una nuevo end mill de punta esférica de 8 milímetros para asegurarse de que todas las superficies tienen un acabado uniforme.

Esta práctica también prolonga la vida útil del cortador de acabado y le permite al operador utilizar la fresa de punta de bola de acabado como herramienta de semiacabado cuando la vida útil de la herramienta de acabado llega a su fin.

Utilice portaherramientas fuertes y precisos

Los portaherramientas de alta precisión son cruciales en el fresado en duro para conseguir la máxima vida útil de la herramienta. La excentricidad debe limitarse a menos de 0.0004 pulgadas para extender la vida de la herramienta. Los operadores pueden alcanzar este nivel de precisión con la mayoría de los portaherramientas de ajuste por contracción, los chucks de fresado, los collet chucks de alta precisión y los portafresas seleccionados.

Un portaherramientas preciso garantiza la exactitud del proceso, mientras que un portaherramientas menos seguro puede provocar una vida útil imprevisible de la herramienta y producir superficies fuera de tolerancia.

Siga los parámetros de corte recomendados

Los datos de corte se optimizan según el diseño de la herramienta y para grupos de materiales específicos, ya que algunos aceros comunes para herramientas endurecidas presentan exigencias particulares, por lo que los operadores deben utilizar las recomendaciones como punto de partida. El operador puede realizar modificaciones en función de la aplicación.

Maximizar el fresado en duro con procesos de maquinado equilibrados

La aplicación exitosa del fresado de alta velocidad de aceros endurecidos requiere una comprensión de los factores que influyen en todo el proceso de mecanizado. Para maximizar la productividad y la fiabilidad, los talleres de moldes suelen mecanizar una gran parte de sus productos con aceros endurecidos.

Tradicionalmente, los aceros templados se han fresado en bruto a bajas velocidades y avances, con grandes profundidades de corte y pasos. De acuerdo con Jay Ball, el proceso es terriblemente lento y puede producir escalones profundos en la pieza, que requieren múltiples operaciones de semiacabado y acabado. El taller también puede desbastar un bloque blando, tratarlo térmicamente y volver a llevarlo a las fresadoras para realizar varias configuraciones de semiacabado y acabado. Otro enfoque del mecanizado de acero templado ha sido la electroerosión, proceso que también requiere mucho tiempo.

Ball afirma que esos largos procesos se sustituyen cada vez más por el fresado en duro de alta velocidad, que implica tomar profundidades de corte ligeras y utilizar altas velocidades de avance.

“Este proceso les permite a los talleres perforar agujeros y líneas de agua en un bloque, realizar un tratamiento térmico y, a continuación, aplicar las estrategias de alta velocidad para el desbaste y el acabado en una sola configuración. Las tasas de eliminación de metal son elevadas y las operaciones de semiacabado y acabado se minimizan, ya que el proceso de fresado en duro da lugar a piezas de forma casi neta. Es posible obtener acabados superficiales del orden de 10-12 rms. El resultado: un aumento de la productividad y una disminución de los costos de preparación y de manipulación repetitiva de las piezas”.

Factores que influyen en el proceso de fresado

Jay Ball considera que para aplicar con éxito el fresado en duro de alta velocidad es necesario comprender los numerosos factores que influyen en el proceso:

Dureza y maquinabilidad

La dureza medida de los aceros templados típicos está en el rango de 48-65 HRC. Sin embargo, cuando se trata de la maquinabilidad en el mundo real, el número Rockwell no representa toda la historia. Por ejemplo, el acero para herramientas D2 se endurece a unos 60-62 HRC, pero se mecaniza más bien a 62-65 HRC debido a un contenido de cromo del 11-13 % que aumenta la tenacidad. En el caso del D2 y de aleaciones multiconstituyentes similares, es necesario aplicar los parámetros de mecanizado del proveedor de herramientas previsto para materiales más duros.

La carga de viruta constante es crucial

La clave de la vida de la herramienta y de la calidad de la pieza en el fresado, y especialmente en el fresado de alta velocidad de aceros endurecidos, es mantener una carga de viruta constante en los filos cortantes de la herramienta de fresado. La carga de viruta es igual a la velocidad de avance dividida entre la velocidad del husillo multiplicada por el número de canales de corte, y una carga de viruta que varíe mucho o sea demasiado baja o alta hará que las herramientas se desgasten demasiado rápido, se astillen o se rompan.

Mantener una carga de viruta constante es un problema especial cuando se mecanizan los contornos 3D característicos de la fabricación de moldes. La programación de una trayectoria de herramienta recta de alta velocidad y avance suele ser rutinaria, pero en el fresado de formas complejas, la carga sobre la herramienta cambia y la máquina puede no ser capaz de mantener la carga de viruta deseada.

Por ejemplo, cuando un cortador llega a una esquina de 90 grados, el ángulo de enganche de la herramienta se duplica y las fuerzas de corte aumentan. Si no se reduce el avance, la herramienta se desgastará con rapidez o se romperá. Los operadores pueden reducir el avance manualmente a través de los controles de sobrealimentación, o el programa CAM y el control de la máquina-herramienta pueden combinarse para reducir la velocidad de avance con el fin de mecanizar los contornos variables del molde.

Para confirmar si se está logrando el avance especificado, un operador puede cargar el programa CAM y las herramientas en la máquina y ajustar la altura Z de la herramienta aproximadamente 1 pulgada por encima de la pieza. Una ejecución en seco revelará las velocidades de avance reales.

La física básica dicta que no es posible mantener el avance y la carga de viruta deseados el 100 % del tiempo. Una buena regla general indica que si la velocidad de avance programada no se mantiene durante el 80 % del tiempo del ciclo, entonces la velocidad del husillo debe reducirse en consecuencia para mantener una carga de viruta constante.

Por ejemplo, en una aplicación en la que una velocidad de avance de 100 pulgadas por minuto a 30,000 rpm producirá la carga de viruta deseada, el avance correcto puede lograrse durante una parte de la operación, pero puede caer a 40 pulgadas por minuto durante otras partes del proceso y producir un avance medio de 50 pulgadas por minuto.

En este caso, es probable que reducir la velocidad a la mitad produzca la carga de viruta deseada. Reducir la velocidad del husillo aumentará nominalmente el tiempo de ciclo, pero la vida de la herramienta aumentará a su vez. Existen calculadoras de fresado que proporcionan los parámetros necesarios para conseguir una carga de viruta constante.

Minimizar la excentricidad de la herramienta

Otro factor crítico, pero a menudo ignorado en las operaciones de fresado, es la excentricidad de la herramienta. En general, una excentricidad superior a 0.0004 pulgadas (una séptima parte del diámetro de un cabello humano) puede reducir la vida útil de la herramienta a la mitad.

La minimización de la excentricidad adquiere mayor importancia cuando se emplean herramientas muy pequeñas. Para algunas herramientas pequeñas, una excentricidad de 0.0004 pulgadas duplicará la carga de viruta en un solo diente y provocará un desgaste acelerado del filo cortante de la herramienta. Utilizar máquinas-herramienta y herramientas de corte caras, pero emplear portaherramientas de poca calidad puede ser una solución para los problemas. Sin embargo, los portaherramientas de alta precisión, incluidos los de ajuste por contracción y los hidráulicos, entre otros, eliminarán esencialmente la excentricidad como factor negativo.

Evite el exceso de material de acabado

Muchos talleres cometen el error de dejar un exceso de material de la pieza para el fresado de acabado. Para cortadores de aproximadamente 1/8 de pulgada de diámetro y más grandes, se recomienda dejar alrededor del 1 % del diámetro del cortador para el acabado. Por ejemplo, cuando se aplica una herramienta de ½ pulgada de diámetro, el material para el acabado debe ser de aproximadamente 0.005 pulgadas, o para un cortador de 1/8 de pulgada de diámetro, el material de acabado debe ser de 0.002-0.003 pulgadas.

En el caso de las herramientas más pequeñas, determinar la cantidad suficiente de material para el acabado puede ser un caso de “tacto” o de prueba y error. El 1 % del diámetro de un cortador de punta esférica de 0.020 pulgadas es de 0.0002 pulgadas, pero la cantidad de material puede ser insuficiente y la herramienta puede rozar el material de la pieza en lugar de cortarlo, lo que aceleraría el fallo de la herramienta. Para el cortador de 0.020 pulgadas de diámetro, probablemente sería más apropiado un material de acabado de 0.001 pulgadas o 0.0008 pulgadas.

Con las herramientas pequeñas en particular, los pasos excesivamente grandes entre las herramientas de acabado provocan problemas. Algunos operadores comienzan con una herramienta de 2 mm (radio de 1 mm) para crear un radio de 0.2 mm en una esquina, y a continuación utilizan una herramienta con un radio de 0.4 mm. En estas circunstancias, la probabilidad de que la herramienta se rompa es alta. Una progresión superior podría ser utilizar luego una herramienta de 0.8 mm de radio, después una de 0.6 mm y, finalmente, herramientas con radios de 0.4 mm y 0.2 mm. Este método conservador requerirá algunas herramientas más, pero la vida útil de las herramientas aplicadas será mayor y el riesgo de rotura, pequeño.

Utilizar programación premium

El software de programación es fundamental para mantener la carga de virutas. Los sistemas de CAM de primera calidad emplean un mayor número de puntos individuales para definir la trayectoria de la herramienta que los sistemas de programación de menor capacidad. El programa CAM también gestiona la entrada y salida de la herramienta para moderar las fuerzas en el filo cortante. Aunque el software de CAM más capaz suele ser también más caro, las ventajas compensan el mayor costo inicial.

Las capacidades del controlador de la máquina también desempeñan un papel en el fresado eficiente. Para llevar a cabo estrategias de fresado de alta velocidad de forma eficiente, una máquina debe tener la potencia de cálculo necesaria para anticiparse y manejar sin problemas los rápidos cambios en los parámetros de mecanizado dictados por el programa CAM. Los controladores y servos más antiguos no pueden procesar necesariamente tantos bloques por segundo como se necesitan para seguir los complejos comandos de movimiento de la máquina en el fresado de alta velocidad.

Manejar la vida del cortador

Un examen minucioso de la carga de viruta, la excentricidad y otros aspectos, como la rigidez de la máquina, puede producir resultados sorprendentes en cuanto a la vida útil de las herramientas en el fresado de alta velocidad. Las herramientas aplicadas correctamente pueden durar horas en el fresado de aceros endurecidos. Por supuesto, la definición de la vida de la herramienta también es un factor; las exigencias del cliente que recibe el molde en cuanto al acabado de la superficie pueden limitar la cantidad de tiempo que una herramienta puede funcionar antes de ser cambiada.

El calor extremo afecta negativamente la vida de la herramienta, por lo que las profundidades de corte ligeras utilizadas en el fresado de alta velocidad pueden aumentar la vida de la herramienta al maximizar el tiempo que tienen los filos cortantes para enfriarse mientras están fuera del corte.

Para evitar el choque térmico, el chorro de aire o la niebla de aceite/aire suelen sustituir al refrigerante cuando se fresan materiales de dureza superior a 48 HRC. Aunque en algunos casos el flujo de refrigerante líquido puede eliminar las virutas y evitar el recortado, el chorro de aire es una opción superior porque no somete la herramienta a cambios rápidos y grandes de temperatura.

Utilice la herramienta adecuada

La tendencia de la industria hacia tolerancias más estrictas incluye los productos de fabricación de moldes, y esas exigencias se reflejan en las herramientas utilizadas para mecanizar los moldes y sus componentes. Hace unos años, la tolerancia radial típica de una fresa de bola era de 10 micras; ahora está más cerca de las 5 micras.

Un end mill de bola que no sea fiel a la forma producirá piezas que no coincidan. Evitar este tipo de error es fundamental en la fabricación de moldes, en la que, por ejemplo, la goma de silicona líquida puede formar destellos en huecos de desajuste del molde tan pequeños como 2 micras.

Dado que el fresado de materiales duros genera una cantidad significativa de calor, muchos de los end mills de metal duro utilizados en el fresado duro presentan revestimientos de barrera térmica, como el nitruro de aluminio y titanio (AlTiN). Estas herramientas suelen tener sustratos de carburo de micrograno duro (con un contenido de cobalto del 8 %) para ofrecer resistencia al calor y fuerza, y geometrías de rastrillo de filo cortante negativo para resistir el desportillado. Las herramientas de nitruro de boro cúbico (CBN) pueden utilizarse en operaciones de acabado, y las fresas con inserto son eficaces en el desbaste.

Las herramientas de fresado muy pequeñas pueden crear características que solo se podían conseguir con la electroerosión. Existen herramientas de hasta 0.1 mm (0.0039 pulgadas) de diámetro, e incluso estas herramientas tan pequeñas pueden aplicarse de forma eficaz a altas velocidades con longitudes de flauta cortas.

Las herramientas de precisión, un sofisticado software de CAM, máquinas-herramienta de alta capacidad, portaherramientas de primera calidad y detalles como las alternativas de refrigerante deben aplicarse conjuntamente para maximizar la productividad y la calidad del fresado de acero templado. Los proveedores de herramientas, máquinas-herramienta y materiales para piezas de trabajo suelen estar más que dispuestos a aportar su experiencia para ayudar a los talleres a lograr un verdadero equilibrio en el proceso y a cumplir sus objetivos de productividad.