¿Qué son los centros de mecanizado o centros de maquinado?

¿Qué son los centros de mecanizado?

La mayoría de los centros de mecanizado (o centros de maquinado) del mercado cuentan con control numérico (CNC) y sirven para más de un propósito. Muchos pueden realizar combinaciones de operaciones como fresado, taladrado, mandrinado, roscado y escariado en una sola configuración.

Los centros de mecanizado se presentan en tres tipos generales: máquinas horizontales de tres ejes, verticales de tres ejes y de cinco ejes (existen máquinas de cuatro y seis ejes, pero son menos comunes).

Las máquinas horizontales y verticales de tres ejes se diferencian principalmente por la inclinación del husillo, con los husillos de las máquinas horizontales paralelos a la superficie de la mesa de la máquina y los husillos de las máquinas verticales perpendiculares a la superficie, aunque las construcciones individuales varían ampliamente para prestar diferentes aplicaciones.

Las máquinas de tres ejes se mueven en tres planos controlables por el CNC. En el caso de un centro de mecanizado vertical, el eje X controla el movimiento de izquierda a derecha, paralelo a la superficie de sujeción; el eje Y controla el movimiento de adelante a atrás, perpendicular a los ejes X y Z; y el eje Z controla el movimiento de arriba a abajo. La mayoría de las máquinas utilizan un husillo fijo y una mesa móvil, o una mesa fija y un husillo móvil. La rotación del husillo nunca se considera un eje.

Las máquinas de cinco ejes (y de cuatro y seis ejes) introducen ejes adicionales que permiten que la mesa o el cabezal del husillo giren y pivoten. El eje A implica la rotación del eje X, mientras que el eje B está emparejado con el eje Y y el eje C con el eje Z.

Adaptación del husillo en un centro de maquinado

Las herramientas de corte rotativas, como las fresas frontales, los end mill y las fresas de ranurar, requieren un alto grado de precisión y rigidez de montaje para lograr una vida útil y una productividad óptimas. Estas herramientas pueden montarse directamente en la cara del husillo o a través de un adaptador de mango cónico intermedio, comúnmente conocido como portaherramientas.

Algunos ejemplos de estos adaptadores son los adaptadores de fresa, los adaptadores de fresa de vástago, los árboles de sujeción y los chucks de pinza.

La mayoría de los sistemas de adaptadores utilizan un vástago cónico que se mantiene en el husillo de la máquina mediante una barra de tracción roscada o una barra de tracción que agarra una perilla de retención en la parte posterior del adaptador. Los adaptadores suelen estar accionados por chavetas montadas en la cara del husillo.

El tamaño del adaptador suele indicar la rigidez de la máquina, y los adaptadores más grandes significan una mayor rigidez de la conexión. Los pomos de retención suelen ser exclusivos de cada fabricante de máquinas-herramienta y del tamaño del husillo, por lo que los usuarios deben tener cuidado de que se utilice el pomo correcto.

La conicidad estándar tiene una relación de 7:24 (que se traduce en 3.500 pulgadas por pie, 291.663 mm por metro; u 8 grados, 17 minutos y 50 segundos). Entre los diferentes nombres de este cono se encuentran el cono empinado, el estándar americano o el ISO.

La relación de 7:24 hace que el ángulo sea lo suficientemente grande para las características de autodescarga, y aunque han evolucionado varias normas nacionales para acoplar adaptadores a los husillos, todas tratan de ser compatibles con este cono. El cono inclinado sólo requiere que el propio cono cumpla unos requisitos de alta precisión en el mecanizado, lo que hace que las piezas que lo utilizan sean relativamente sencillas y baratas de fabricar.

Los adaptadores del cono inclinado se mantienen en la profundidad del husillo para reducir el voladizo de la herramienta con respecto a la cara del husillo. Estos portaherramientas cónicos son relativamente fáciles de retirar porque no se bloquean ni se atascan en el husillo.

Sin embargo, la superficie cónica también debe ubicar el adaptador en relación con el husillo y sujetarlo rígidamente en su lugar. Debido al costo de la alta precisión de mecanizado requerida para asegurar el contacto continuo de la cara y el cono, estos adaptadores pueden enfrentar problemas de desequilibrio y ubicación radial a altas revoluciones.

Otros sistemas cónicos comunes son los de Brown y Sharpe, Morse y Jarno. Éstos y el cono empinado se denominan comúnmente conos “autosuficientes” porque tienen ángulos lo suficientemente pequeños como para mantener los mangos en su lugar sólo por fricción, al tiempo que garantizan la rotación de la herramienta dentro del zócalo.

Sistemas de adaptadores para centros de mecanizado

Los adaptadores del sistema CAT V, así como sus equivalentes regionales BT y DIN 69871, se montan directamente en el husillo, con una barra de tracción que agarra la perilla de retención en la parte posterior del adaptador. Este sistema se caracteriza por la brida, que el dispositivo de cambio de herramientas de la máquina utiliza para recoger una herramienta del cambiador o del magazín para utilizarla en el orificio cónico del husillo correspondiente.

Las partes traseras de estos adaptadores están roscadas, por lo que un mismo portaherramientas puede utilizar una variedad de perillas de retención para adaptarse a diferentes grippers de la máquina. Los adaptadores BT y DIN 69871 no son intercambiables con los CAT V, ya que los dos primeros utilizan el sistema métrico, mientras que el segundo utiliza el sistema imperial.

A diferencia del sistema CAT V, los adaptadores de vástago cónico National Machine Tool Builder Standard (NMTB) requieren que la barra de tracción de la máquina se enrosque directamente en la parte posterior del adaptador y no en una perilla de retención. Tampoco hay ranura de cambio de herramienta, por lo que estos adaptadores no son adecuados para centros de mecanizado con cambiadores automáticos de herramientas.

Los adaptadores del sistema HSK (hollow shank kegel) son los mejores para las operaciones de alta velocidad. El vástago HSK es más corto y compacto que los vástagos cónicos regulares. El sistema HSK también utiliza un cono hueco con una relación menos profunda, de 1:10 (1,2 pulgadas por pie; 100 mm por metro; o 2 grados, 51 minutos y 53 segundos).

El sistema HSK utiliza seis configuraciones de mango diferentes, designadas con las letras A-F. La A-D se especializa en velocidades de máquina relativamente bajas, mientras que la E y la F se encargan del corte de alta velocidad. La mayoría de los fabricantes de máquinas-herramienta ofrecen centros de mecanizado con husillos HSK.

Los adaptadores hidráulicos y de contracción utilizan la presión hidráulica y la contracción térmica, respectivamente, para centrar con precisión la herramienta de corte y minimizar la excentricidad. Las versiones de cono inclinado y HSK de ambos pueden aplicar presión uniformemente alrededor de la superficie de la herramienta para actuar como una pinza precisa y automatizar el proceso de centrado de la herramienta.

Los portaherramientas hidráulicos tienen un manguito de acero expansible lleno de aceite. Al girar el tornillo de accionamiento en el portaherramientas, la presión del fluido aumenta hasta 15 toneladas por pulgada cuadrada. Las paredes del manguito se abomban hasta sus límites elásticos para sujetar el mango de la herramienta, y luego se relajan hasta sus dimensiones originales cuando se alivia la presión.

Los adaptadores de ajuste por contracción tienen diámetros ligeramente inferiores a los de las herramientas de corte que sujetan. Los sistemas de calentamiento por inducción expanden el adaptador lo suficiente para que el mango de la herramienta se deslice en su interior. Cuando el eje de sujeción se enfría, agarra el mango con una fuerza de sujeción de hasta 10,000 libras.

Algunas fresas se montan directamente en la cara del husillo, con las chavetas de los drives y el orificio de montaje de los pernos roscados en el husillo que coinciden con las ranuras de las chavetas y el patrón de los orificios de los pernos en el cortador. Tras insertar un tapón de centrado en el cono del husillo, los usuarios pueden montar directamente el cortador en lo que se denomina montaje trasero plano. Este método garantiza la máxima rigidez, ya que no hay ninguna extensión ni saliente de la cara del husillo.

Precisión y repetibilidad en los centros de maquinado

Aunque la precisión y la repetibilidad son vitales, estas especificaciones pueden ser especialmente difíciles de determinar porque los distintos fabricantes utilizan definiciones diferentes.

En general, existen tres estándares de precisión: unidireccional hacia delante, unidireccional hacia atrás y bidireccional (que es la media de las dos). La repetibilidad -que es la distancia entre muestras de precisión, probada en toda la gama de puntos de datos- suele tener cuatro normas: repetibilidad hacia delante, repetibilidad hacia atrás, repetibilidad bidireccional y dispersión.

El "movimiento perdido", también llamado "error medio de inversión", es la diferencia respecto al centro que se encuentra al comparar las marcas realizadas con la repetibilidad hacia delante y hacia atrás. La recopilación de datos suele repetir los procesos siete veces y luego crea una curva de campana de los resultados, calculando tanto las desviaciones estándar como la media. Los distintos estándares de medición utilizan las desviaciones estándar de forma diferente.

Los distintos fabricantes también utilizan diferentes estándares de precisión y repetibilidad. La mayoría de los estándares ofrecen valores totales, aunque muchos fabricantes anuncian que utilizan valores ± más pequeños. Incluso teniendo en cuenta los propios estándares, las comparaciones entre ellos son de poca utilidad debido a las diferencias en los cálculos que producen resultados diferentes.

Seis normas comunes son la NMBTA (utilizada principalmente en Estados Unidos, y la única norma que calcula estadísticamente utilizando datos bidireccionales), la ISO 230-3-1988 (utilizada en Europa), la BSI BS 4656 Parte 16 (utilizada en Gran Bretaña), la VDI/GDQ 3441 (utilizada en Alemania), la JIS B 6336-1986 (utilizada en Japón) y la ASME B5.54-92 (otra norma estadounidense).

Medición y ajuste de herramientas

La medición de la longitud, el diámetro y el perfil de un cortador puede reducir la variabilidad y optimizar los procesos de mecanizado. Tradicionalmente, el reglaje de herramientas se realiza fuera de línea con un calibre de reglaje de herramientas que verifica las dimensiones de la herramienta manualmente o mediante un código de barras.

Este proceso es fiable para determinar el desplazamiento de la herramienta de la pieza, pero no traduce cómo se alinearán el portaherramientas, la barra de tracción y el husillo de una herramienta a otra. Por tanto, la repetibilidad perfecta entre la herramienta de corte y el husillo es poco frecuente.

Los sistemas de medición láser pueden realizar una medición dinámica de las herramientas a medida que el husillo gira. Los rayos láser sin contacto, que suelen ser de tamaño único, presentan poco riesgo de contaminación, utilizan menos de un vatio y no requieren protección ocular especial. El haz fotoeléctrico de alta precisión se activa cuando se rompe, y la salida viaja al CNC o PLC de la máquina, y el software de a bordo compara y coordina el punto de contacto del haz con los valores conocidos en las tablas de datos de las herramientas del control.

La propia rutina de medición es una macro automática integrada en el software de medición. Los sistemas láser son compatibles con diámetros tan pequeños como 0.012 pulgadas (0.3 mm), con una precisión de unas pocas micras.

Encoders rotativos y lineales

Las máquinas-herramienta utilizan encoders lineales y rotativos para medir sus propios movimientos y mantenerse en el objetivo. Hay tres tipos de contactos de encóder: fotoeléctricos (también llamados ópticos), magnéticos y mecánicos, pero los contactos de encóder fotoeléctricos son los más comunes.

Los encoders rotativos miden drives de movimientos rotativos, pero los husillos y los husillos de bolas recirculantes también pueden permitirles medir movimientos lineales. Los encoders rotativos pueden ser incrementales o absolutos.

Los codificadores rotatorios incrementales tienen señales de salida que son evaluadas por contadores electrónicos que miden "incrementos". Para las aplicaciones generales de medición de longitudes -en particular, la medición de movimientos de deslizamiento utilizando un husillo de bolas recirculante como escala-, los encoders de eje que incorporan electrónica de digitalización son estándar.

Los codificadores rotativos absolutos obtienen el valor posicional angular a partir del patrón de un disco codificado que proporciona valores inmediatamente después de conectar la alimentación. El codificador Gray y los codificadores que utilizan el binario natural son los más comunes, y muchos programas de ordenador modernos utilizan el sistema binario para apoyar las altas velocidades.

Los codificadores lineales pueden conseguir resultados en el rango de las submicras, lo que resulta especialmente útil para la industria de los semiconductores y la maquinaria de ultraprecisión. Estos encoders transmiten la información de desplazamiento directamente a un lector digital, un controlador NC o un periférico, y favorecen el sistema fotoeléctrico.

Las reglas lineales pueden ser cerradas o expuestas. Las básculas lineales cerradas tienen una unidad de exploración montada en un pequeño carro guiado por rodamientos de bolas a lo largo de una escala de vidrio. Los labios de sellado protegen la báscula de la contaminación. Suelen utilizarse en máquinas-herramienta y máquinas de corte, así como en máquinas situadas en entornos difíciles.

Las básculas lineales expuestas también tienen una escala de vidrio y una unidad de exploración, pero los dos componentes están físicamente separados. Al no haber contacto ni fricción entre la unidad de exploración y la regla, el montaje es más fácil y la velocidad de desplazamiento es más rápida. Entre sus aplicaciones se encuentran las máquinas de medición de coordenadas, las traducciones de datos y los equipos de manipulación de materiales.

Algunas variantes de encoders lineales utilizan escalas metálicas en lugar de vidrio, con longitudes máximas de hasta 30 metros en lugar de los tres de las escalas de vidrio. Destacan los codificadores que utilizan el principio de barrido interferencial, que aprovecha las difracciones únicas de las ondas de luz.

Este sistema ofrece una resolución y una precisión muy elevadas, con una amplia tolerancia en la separación entre el escáner y la báscula, y muestra una excelente repetibilidad. Se adapta mejor a la dilatación térmica de las piezas de acero que una configuración láser a distancias cortas inferiores o iguales a un metro.