NUEVAS TECNOLOGÍAS EN EL MECANIZADO

NUEVAS TECNOLOGÍAS EN EL MECANIZADO
1. INTRODUCCIÓN
Dentro de la regulación de los estudios de la Formación Profesional los ciclos
formativos se encuentran clasificados en función de la actividad a desarrollar dentro de
Familias Profesionales.
Los sectores que abarcan los títulos de la Familia Profesional de Fabricación Mecánica
son: Industrias de la Construcción de Maquinaria y Equipo, Industrias de Fabricación
de Material de Transporte e Industria Pesada y Construcciones Metálicas, que a su
vez comprenden una gran diversidad de subsectores que dan lugar a una serie de
procesos interrelacionados entre sí y a una gran gama de productos fabricados.
Estos sectores ocupan un gran número de mano de obra y han debido aumentar su
competitividad con la introducción de innovaciones tecnológicas y con una producción
de alta calidad. Las nuevas tecnologías, la calidad, el diseño, la adaptación a las
nuevas tendencias de fabricación del mercado y la flexibilidad productiva, son los
principales factores que han provocado la reestructuración a la que han estado y están
sometidos estos sectores, lo que provoca un proceso de reorganización interna de las
empresas y talleres y demanda una recualificación del personal empleado.
La descentralización productiva de estos sectores hacia países en vías de desarrollo y
la centralización del diseño e investigación en países desarrollados tecnológicamente
caracteriza la agresividad productiva, tecnológica y comercial, que se traduce en un
aumento creciente de las exportaciones, de los países en vía de desarrollo hacia los
desarrollados, basada en los bajos costes y la mejora del transporte y las
comunicaciones, que acortan distancias insalvables en otros tiempos.
Por todo lo anterior, las empresas optan por una organización flexible, lo que implica la
necesidad de nuevas cualificaciones de los trabajadores y una mayor polivalencia,
para que el conjunto de competencias del trabajador sean transferibles a diferentes
situaciones y puestos de trabajo.
Destacan las competencias relacionadas con el diseño asistido por ordenador (CAD),
programación por control numérico, coordinación y comunicación entre grupos de
trabajo, así como el autocontrol de calidad. Cada vez tienen más influencia la
electrónica y la informática industrial en el diseño de los productos y en la
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automatización de los procesos de fabricación. También gana relevancia todo lo
relativo a la seguridad personal y ambiental.
Históricamente la fabricación mecánica es el sector que más ha contribuido en casi
todos los procesos de industrialización. Los puestos de responsabilidad en las
empresas y talleres generalmente no han sido ocupados por técnicos especialistas,
sino por personal que ha adquirido una gran experiencia laboral en su campo de
trabajo.
La Familia Profesional de Fabricación Mecánica está compuesta por dos subfamilias,
“Desarrollo y Fabricación de Productos” y “Construcciones Metálicas”, y la conforman
los siguientes sectores o actividades: Industrias de la Construcción de Maquinaria y
Equipo Mecánico, Industrias de Fabricación de Material de Transporte, Construcciones
Metálicas e Industria Pesada.
Dentro de la primera subfamilia: “Desarrollo y Fabricación de Productos” se
encuentran el ciclo formativo de grado medio Mecanizado y el de grado superior
Producción por mecanizado.
2. TRANSFORMACIONES EN LA TECNOLOGÍA, ORGANIZACIÓN Y
ECONOMÍA DEL SECTOR.
Se están produciendo una serie de cambios en el sector que, en mayor o menor
medida, influyen en la figura del técnico de mecanizado objeto de estos estudios de
Formación Profesional:
- La incorporación de nuevos materiales y tecnologías está llevando a la sustitución de
equipos convencionales por otros más avanzados y a la adaptación o cambio de los
procesos y producción.
- Se está produciendo una modernización de las estructuras empresariales, con un
incremento considerable de las inversiones en bienes de equipo, renovando
maquinaria e implantando sistemas informáticos en producción.
- El aumento del tamaño de las empresas favorece la competitividad de las mismas.
- Las empresas aplican las nuevas tendencias en materia de Calidad, necesarias para
poder competir en un mercado globalizado.
- Las empresas de menor tamaño se especializan en diferentes fases de la producción
y las de mayor tamaño intentan cada vez más estar presentes en los mercados
internacionales. Esto conlleva la necesidad de asociación entre ellas para un aumento
de la competitividad.
- Al igual que en otros sectores productivos se está produciendo un aumento notable
de las subcontrataciones.
- La introducción de nuevas tecnologías ha permitido un aumento significativo de la
productividad.
- Los programas informáticos aplicados a las diferentes fases del proceso productivo
se están extendiendo en las empresas. Entre estos programas destacamos el uso de
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base de datos con información de materiales, equipos y herramientas; así como, los
destinados a la planificación y coordinación de los trabajos, lo que permite controlar y
desarrollar adecuadamente todo el proceso productivo en su conjunto.
- La llamada fabricación flexible permite una adecuación constante de los productos
fabricados a la demanda de los clientes y ahorrando en los costes de producción.
- El diseño y la fabricación asistida por ordenador se está generalizando tanto en las
empresas grandes como pequeñas.
- La mayor exigencia en la normativa de Seguridad obliga a las empresas a adaptarse
a ella.
- La mayor concienciación de los clientes en materia medioambiental así como en la
legislación ha implicado una mayor inversión del sector en este terreno.
- Surgen nuevas necesidades de formación en el técnico de mecanizado ante la
aparición de tecnologías como: control numérico, robótica, ingeniería asistida por
ordenador. El control numérico permite la programación de los equipos productivos; la
robótica la automatización de parte del proceso de fabricación y la ingeniería asistida
la adaptación de la producción al mercado al que va destinado los productos.
- Se están produciendo también cambios específicos en la actividad de estos
profesionales con la utilización de nuevos materiales, equipos y herramientas
obligando a este a estar al día en su conocimiento y forma de utilización.
- La formación en materia de calidad le ha de permitir conseguir una concepción global
de la misma y los conocimientos en sistemas de control actuar en este campo
permanentemente.
- El técnico de mecanizado debe tener una formación complementaria en sistemas
hidráulicos, neumáticos, eléctricos y electrónicos dado su inclusión en los equipos que
ellos manejan.
- La formación en materia de Seguridad utilizando los distintos medios de protección
personal y colectiva es fundamental. También es importante tener una visión general,
un conocimiento de la normativa aplicable y de la documentación especifica que le
condicione permanentemente en su trabajo.
3. TENDENCIAS EN LA FABRICACIÓN
Cuando se trata de mecanizar materiales demasiado duros o cuando se pretende
realizar formas microscópicas en piezas muy pequeñas la mecanización por arranque
de material donde es necesario que la herramienta incida sobre el material a
mecanizar para arrancar el sobrante resulta imposible o muy difícil.
Actualmente, se están utilizando procedimientos que permiten mecanizaciones
microscópicas en los materiales más duros que se conocen, sean o no metálicos.
Estos procedimientos, que por la forma de trabajar no tiene contacto directo la
herramienta con la pieza son la electroerosión y el mecanizado por ultrasonidos.
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El mecanizado por electroerosión, se realiza por la acción de una descarga de energía
eléctrica en forma de chispa, proyectada en estrecho haz sobre la zona de metal que
se desea cortar.
Este procedimiento fue puesto a punto sobre 1938 por los esposos Lazarenko, que
llevaron a cabo sus investigaciones en el Instituto Técnico de Moscú, y todavía las
máquinas y especialmente los generadores, se basan en el tipo utilizado por
Lazarenko. Posteriormente, y durante la segunda guerra mundial, se ha trabajado
intensamente en perfeccionar este procedimiento en distintas instituciones
americanas, en especial en la Carnegie Institution, desde donde William registró la
primera patente norteamericana en 1943.
La electroerosión se basa en la propiedad del arco eléctrico, cuando salta entre el polo
positivo y negativo, de una fuente de corriente continua, de arrancar pequeñas
partículas del polo positivo dejando en el material diminutos cráteres, con dimensiones
de 10 a 300 micras, que dan a la superficie observada con el microscopio, el aspecto
de un paisaje lunar.
Las herramientas para formar “piezas en forma de red” en un único paso de
fabricación, como por ejemplo el “moldeado por inyección”, “estampación con matriz”,
“moldeado por inyección de metal” y otras se están convirtiendo en las tecnologías de
producción claves. Para que las herramientas de mecanizado sean efectivas en
comparación con otras tecnologías, se necesita una mayor flexibilidad para el cambio,
sistemas de cambio más rápidos, producción de series cortas a bajo coste y – lo más
importante – una excelente organización y velocidad en la fabricación de herramientas
dedicadas e innovadoras. Sería ideal que las herramientas utilizadas duraran con
facilidad lo suficiente para producir series cortas y medias, y que mantuvieran la
precisión en las secciones delicadas, gracias a un bajo desgaste. Esto implica realizar
herramientas de materiales ultra duros.
Desde hace varios años los investigadores de producción mecánica trabajan
intensamente en la optimización del diseño de herramientas para procesos de
deformación, y en la innovación y mejor adaptación de las tecnologías de mecanizado
de acuerdo con los requisitos prácticos. La electroerosión comenzó en 1954 para
aplicaciones prácticas y desde entonces ha crecido hasta adoptar la posición de
tecnología común y bien aceptada en los talleres de fabricación de herramientas y
utillajes. Tanto la versión de electroerosión por penetración, cómo la electroerosión por
hilo están bien introducidas y se aplican con normalidad. Su inconveniente es la
complejidad inherente a esta tecnología. Dado que la formación profesional en
electroerosión se ofrece en contadas ocasiones, en la mayoría de los talleres estos
procesos se aplican a partir de “recetas de cocina” adaptadas empíricamente por los
propios usuarios.
Las tecnologías de fresado y, en general, de arranque de viruta se usan desde hace
mucho más tiempo y tanto su enseñanza como su documentación son mejores. El
arranque de material ha recibido un nuevo impulso y ha ganado interés desde la
introducción del MAV (Mecanizado de Alta Velocidad).
El mecanizado de alta velocidad (MAV) es uno de los temas favoritos en las
discusiones actuales sobre las tecnologías modernas de fabricación, ya que este
proceso ha avanzado sustancialmente desde hace poco. Sin embargo, las inversiones
en procesos de manufactura tienen un tiempo de vida largo e influyen en la
rentabilidad, calidad y tiempo de fabricación. Los nuevos procesos de manufactura no
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cubrirán nunca todas las demandas de todas las aplicaciones, y deben ser
confrontados con alternativas.
4. DESARROLLOS EN MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD
Desde que los ajustes utilizados para el rectificado (alta velocidad de corte, tamaño de
viruta pequeño, mayor ángulo de cizallamiento) fueran introducidos en el fresado, junto
con un ángulo de herramienta bien definido, se ha hecho posible el mecanizado de
materiales duros o endurecidos; con una tasa de eliminación de material incrementada
y, además, ganando en un acabado superficial muy fino. Las herramientas usadas, sin
embargo, necesitan ser fabricadas a partir de los materiales con mayor resistencia al
desgaste, como el carburo de tungsteno, por ejemplo. Estas herramientas muestran un
riesgo de daño mayor y un tiempo de vida más corto. El fresado de alta velocidad
requiere una planificación más cuidadosa y una mejor orientación del ángulo de
mecanizado en relación a la superficie, para conseguir la alta velocidad de corte en la
periferia de la herramienta, mientras que el centro de rotación tiene velocidad nula.
También hay limitaciones de diseño respecto al husillo. Velocidades de 18.000 a
25.000 rpm son comunes, pero al usar herramientas de pequeño diámetro, son
deseables velocidades de 60.000 a 80.000 rpm. El centro de mecanizado no sólo
necesita husillo de alta velocidad, sino además su cuerpo debe ser rígido, libre de
vibraciones, y con guías y actuadores rápidos. La variación del ángulo de mecanizado
es posible sólo en máquinas que llegan a tener 7 ejes programados. Ello requiere de
CNC especiales, y de largos ciclos de programación y comprobación de ausencia de
colisiones. Durante el procesado, en una situación ideal se monitorizan el desgaste de
la herramienta y las fuerzas de corte.
Los campos de aplicación del mecanizado de alta velocidad (MAV) en función de sus
características son:
• Altas velocidades: metales ligeros (aeronáutica y técnica aeroespacial) y acero:
hierro colado (talleres de herramientas y matrices).
• Excelente acabado superficial: mecanizado de precisión (mecánica fina,
sensores, óptica) y piezas especiales (compresores espirales).
• Bajas fuerzas de corte: mecanizado de piezas con paredes finas (aeronáutica,
técnica aeroespacial, automóviles, electrodomésticos).
• Alta excitación dinámica: mecanizado lejos de estados de resonancia en piezas
complicadas (piezas de precisión, sensores, óptica).
• Transporte de calor por la viruta: ausencia de distorsión o de tensión residual
(piezas de precisión) y ausencia de carga térmica en la pieza (aplicables a
piezas de magnesio).
5. REQUERIMIENTOS DEL PROCESO Y ASPECTOS ECONÓMICOS Y
ORGANIZATIVOS
A nivel de taller, sería ideal disponer libremente de las tecnologías de mecanizado de
alta velocidad (MAV) y electroerosión y usar sus ventajas allí donde sean aplicables.
Las inversiones para ambos tipos de equipos, sin embargo, son todavía
razonablemente elevadas y las capacidades de fabricación de ambas deben usarse
completamente si se requiere un buen equilibrio económico y competitivo. Las
empresas pequeñas y medianas deben pues decidir de acuerdo con sus preferencias.
A continuación mostramos los argumentos para comparar ambas tecnologías.
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En los aspectos de los requerimientos del proceso:
Mecanizado de alta velocidad:
- Supervisión del proceso:
• Comprobar colisiones con formas exteriores.
• Comprobar colisiones con elementos de fijación.
• Comprobar fuerzas de corte y tiempo de vida de las herramientas.
• Comprobar continuamente rotura de herramienta.
• Comprobar velocidad de arranque.
- Equipamiento:
• Se necesita maquinaria dedicada.
• Velocidades de husillo y de guías hasta 5-8 veces superiores.
• Dispositivos actuadores dinámicos especializados (“drives”).
• Rigidez; baja respuesta dinámica.
• Herramientas equilibradas.
• Datos de maquinabilidad requeridos para cada material.
• Controles CNC multiejes de alta velocidad.
• Programación con splines y NURBS.
- Planificación del trabajo:
• Programación compleja anticipada.
• Búsqueda de la posición óptima de los filos de herramienta.
• Sincronización multiejes intensiva en tiempo.
• Comprobadores de control de colisiones.
Electroerosión:
- Supervisión del proceso:
• Proceso autocontrolado y programado.
• Restablecimiento adaptativo de proceso deteriorados (dispositivos de vigilancia
antiarco).
• Larga autonomía de funcionamiento desatendido.
- Equipamiento estándar:
• Piezas a mecanizar extremadamente grandes.
• Los controles CNC necesitan características especiales.
• Ajustes tecnológicos por medio de diálogos.
• Juegos de ajustes memorizados (herramienta, trabajo, geometría).
• Datos de maquinabilidad necesarios únicamente para familias de materiales
(aceros, carburos de tungsteno,…).
- Planificación del trabajo:
• Programación organizada de trabajo/geometría/tecnología.
• Definición problemática de la limpieza con chorro de dieléctrico.
• Los movimientos superpuestos dificultan el control.
• Gestión de los electrodos-herramientas.
En los aspectos económicos y organizativos:
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Mecanizado de alta velocidad:
- Personal:
• Excelente conocimiento del saber hacer en fresado a partir del aprendizaje.
- Carga de los equipos:
• La combinación de mecanizado de alta velocidad y de baja velocidad es
fácilmente aplicable.
• Pueden conseguirse excelentes cargas de trabajo.
• Una sola preparación para conseguir la pieza acabada.
- Longitud de la cadena de proceso:
• Complejo a causa de las limitaciones geométricas.
• Utillajes especiales, comprobaciones de colisión.
• Tiempo de vida de las herramientas limitado.
• Programación en 6 ejes para alcanzar geometrías complejas.
• Faltan datos de maquinabilidad para muchas aleaciones.
Electroerosión:
- Personal:
• El saber hacer en electroerosión normalmente es débil.
- Carga de los equipos:
• Cada metal y geometría son erosionables. Hay gran libertad de movimiento.
• Excelentes cargas de trabajo.
• Es posible combinar la tecnología con el MAV para el acabado.
• Una sola preparación también para geometrías con cortes sesgados.
- Longitud de la cadena de proceso:
• Procedimiento en forma de diálogo preorganizado.
• No son necesarias las comprobaciones de colisión.
• Pueden conseguirse todas las geometrías con movimientos cinemáticos simples.
• Se requieren electrodos; en ocasiones varios de ellos, con una planificación y
fabricación separadas.
La electroerosión por penetración requiere siempre de la preparación de electrodos,
bien sea de cobre o grafito. En muchas ocasiones son fresados. Por ello, algunas
empresas invierten primero en equipos de fresado. Normalmente los electrodos
muestran una forma convexa. El material y la geometría facilitan el procedimiento de
mecanizado. El corte por electroerosión ofrece buenas alternativas para la preparación
de electrodos, si se precisa de un afilado fino.
6. CONCLUSIONES
Cada método (mecanizado de alta velocidad y electroerosión) domina un área de
aplicación en función de las dimensiones y la estructura de las formas a producir.
Como es común en los procesos de producción, entre tecnologías en competición
existe también una razonable área de solapamiento. Las decisiones económicas darán
prioridad a un método u otro en función de las limitaciones monetarias en la instalación
de ambos. Las sobrecargas temporales en una máquina o dificultades causadas por
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cambios súbitos en los programas de producción pueden también condicionar las
prioridades.
En un resumen breve, podría decirse que el MAV ofrece la máxima velocidad de
eliminación de material combinada con una excelente calidad de superficie, y una
tolerancia un poco menor para grabados esencialmente planos y grandes volúmenes
de producción. La electroerosión por penetración encuentra su campo de aplicación
por excelencia en las formas con ranuras profundas, complejas e intricadas y también
en las aplicaciones que llegan a dimensiones micro.
Ambas tecnologías muestran en el mercado todavía una gran capacidad de innovación
y progreso. Así pues, es necesario mantenerse informado continuamente sobre las
nuevas tendencias y desarrollos.
Autor
Sebastián Díaz Becerro
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