Portaherramientas para Mecanizado de Alta Velocidad

Los portaherramientas

Los portaherramientas juegan un papel fundamental porque han de garantizar unas condiciones de no excentricidad y rigidez en la sujeción más exigentes que en la mecanizado tradicional.

De nada sirve tener mucho cuidado en la selección y en la determinación de las condiciones de corte de la herramienta, emplear mucho tiempo en la elaboración de programas y tener una máquina de calidad si no se puede garantizar que la herramienta esté suficientemente sujeta, que no gira excesivamente excéntrica y no padece vibraciones producidas por el elemento que la soporta.

Equilibrado

Las revoluciones a las que se ha de hacer girar este tipo de herramientas pueden ser elevadas .Esto provoca la magnificación de cualquier desequilibrio que exista en los elementos que giran a estas velocidades y, entre ellos, el portaherramientas.

El equilibrado del portaherramientas para la mecanizado de alta velocidad ha de ser más exigente que el de un portaherramientas destinado a la mecanizado tradicional. No sólo porque ha de soportar regímenes de giro más elevados sino también porque es normalmente en estos regímenes donde se realizan las operaciones de acabado, y cualquier vibración se refleja en el resultado final de la pieza.

Se define el desequilibrio U como:

o bien

donde:

M: masa del rotor
S: centro de masas (M + m)
e: desplazamiento del centro de masas (mm)
r: distancia desde el eje de giro a la masa m (mm)
m: masa de desequilibrio (g)
U: desequilibrio del rotor (gmm)

Así pues, el desequilibrio es un producto de una masa por una distancia, y se suele expresar en gramos x mm

Se define grado de calidad G como el producto del desequilibrio específico e para la velocidad de rotación w

Si se desprecia la masa m frente a la masa M se puede obtener de la ecuación 5.1:

Por sustitución se puede decir entonces que:

o lo que es lo mismo:

donde:

n: revoluciones del cabezal en rpm (min-1)

Despejando U se puede concluir que:

Para los portaherramientas destinados a mecanizado tradicional acostumbra a ser suficiente un grado de calidad de G 6.3, mientras que para los portaherramientas destinados a trabajar por encima de las 8.000 rpm es necesario el grado de calidad G 2.5

El procedimiento óptimo de trabajo en cada caso seria un completo equilibrio del conjunto cabezal de la máquina – portaherramientas – herramienta en cada herramienta que se quiera emplear, pero esta operativa es totalmente inabordable debido a la dificultad de efectuar este equilibrado por parte del usuario de la máquina. El tiempo de preparación de les herramientas sería excesivamente largo y costoso, y en este caso imposibilitaría totalmente la adopción de esta tecnología por parte del mecanizador. Por este motivo hay que exigir por lo menos la calidad de las piezas que forman el conjunto por separado.

Salto

Se denomina salto de la herramienta (run out en inglés) al doble de la distancia que hay entre el eje de giro teórico que define la geometría de la herramienta el eje de giro real de ésta una vez montado el conjunto herramienta-portaherramienta-cabezal.

Si al salto se le añade un problema de no paralelismo entre estos dos ejes de giro se está provocando que los labios de la herramienta no corten por igual, con lo cual se generan vibraciones que limitan la vida de la herramienta a la vez que provocan una mala calidad en la superficie mecanizada.

El salto tiene diferentes orígenes, pero en la mayoría de los casos el mayor responsable es el portaherramientas. Los portaherramientas que se utilizan en estos tipos de mecanizado tienen que estar equilibrados y garantizar un salto mínimo. Por ejemplo un salto de 0.02 mm es excesivo, especialmente para la calidad superficial obtenida con una herramienta de acabado trabajando en este estado.

Fig. 21.- Descripción gráfica del salto

Tipos de portaherramientas

Actualmente hay tres tipos principales de portaherramientas en el mercado: los portaherramientas de pinzas, los de enclavamiento hidráulico y los de enclavamiento térmico. Se hará una descripción a continuación de estos tipos pero nada más se hará referencia a interfaces y tamaños estándares , por ejemplo: HSK 63-100 o BT 40-100. La gran variedad de tamaños hace muy extensa la variedad de tipos y novedades en el mercado.

Portaherramientas de pinzas

Son los más empleados principalmente por que no son nada más que una mejora de los portapinzas que se han utilizado durante mucho tiempo en los talleres de mecanizado, y los profesionales están acostumbrados.

Tienen además la gran ventaja de que son el sistema más flexible ya que el mismo portaherramientas puede montar herramientas de diferente diámetro si se cambia la pinza de enclavamiento.

Se han desarrollado unidades específicas que consiguen grandes fuerzas de enclavamiento pero generalmente con la desventaja de ofrecer saltos mejores de 10 µm y con una gran masa, cosa que dificulta su trabajo a elevadas revoluciones. Estos portaherramientas (figura 5.23) son muy adecuados para desbastes con herramientas de diámetros mayores de 10 mm.

Pero se pueden encontrar también en el mercado portapinzas de menor fuerza de enclavamiento, pero que ofrecen saltos de hasta 3 µm y que pueden girar a más de 30.000 rpm sin ningún tipo de problema, muy adecuados entonces para trabajos de acabado (figura 5.22). Un inconveniente de este sistema acostumbra a ser el precio de coste de cada unidad.

Fig. 22.- Portapinzas con grado de calidad 2.5G y salto del orden de 3 µm	Fig. 23.- Portapinzas de gran fuerza de enclavamiento

Portapinzas hidráulicos

No son un sistema muy utilizado porque no aportan ninguna ventaja específica. Su fuerza de enclavamiento no és muy alta ya que el salto mínimo que ofrecen está en el orden de les 5 µm. Además, no es un sistema flexible ya que cada unidad solamente puede montar un cierto diámetro de herramienta.

Portaherramientas térmicos

No es un sistema muy utilizado actualmente, por una cuestión de cultura y tradición, y no por falta de prestaciones.

El sistema se basa en la dilatación que padece el portaherramientas cuando se somete a altas temperaturas (300°C, 400°C o más, dependiendo del sistema y marca). Se aprovecha esta dilatación para introducir la herramienta en la cavidad de enclavamiento y, en enfriar el sistema, esta queda sujetada por la recuperación de la dimensión normal del portaherramientas.

Fig. 24.- Portaherramientas térmico de un solo cuerpo	Fig. 25.- Oto ejemplo de porta herramientas térmico de un solo cuerpo

Estos portaherramientas presentan una fuerza de enclavamiento muy elevada y son los que tienen un mejor comportamiento en referencia al salto: alrededor de 2 o 3 µm. El problema de éste sistema es su falta de flexibilidad, ya que cada elemento solo puede anclar un determinado diámetro de herramienta.

Se han desarrollado sistemas híbridos modulares (figuras 26, 27 y 28) donde el portaherramientas se divide en dos cuerpos: el cuerpo central y la pinza térmica. La pinza ha de ser de diámetro fijo, pero su enclavamiento al cuerpo central permite la fijación de herramientas de diferentes diámetros en este cuerpo central (que generalmente es la parte más cara del producto). El precio de la unidad acostumbra a ser bastante inferior al portaherramientas de pinzas, pero se ha de disponer de una máquina apropiada para el calentamiento y enfriamiento del portaherramientas, lo que encarece bastante el producto (figura 29).

Fig. 26.- Portapinzas térmicos modulares	Fig. 27.- Detalle de enclavamiento

Fig. 28.- Pinzas térmicas para sistemas modulares

Refrigeración

Cada vez más se está intentando mecanizar sin refrigerante, por razones medioambientales y económicas. El tratamiento de los refrigerantes líquidos después de su utilización es muy costoso y problemático. Así, se están ensayando nuevas estrategias de mecanizado orientadas a trabajar sin refrigerantes líquidos, o a reducirlos.

Sin embargo hay aplicaciones donde, por el momento, esta supresión, y ni siquiera reducción, es posible, como en el caso del mecanizado de aluminio.

Recordemos que la misión del refrigerante es refrigerar térmicamente la zona de trabajo, pero también lubricar y ayudar a la expulsión de la viruta de esta zona

En materiales pastosos tales como el aluminio o el cobre es imprescindible el uso de taladrina (refrigerante líquido que en base agua) en abundancia, pues ello ayuda al arranque y a la expulsión de la viruta en la totalidad de las operaciones de mecanizado: desbaste, semiacabado y acabado. Esta consideración se puede hacer hasta en el caso de aceros de baja dureza.

Sin embargo, en el caso de aceros de alta dureza las temperaturas de trabajo son demasiado elevadas, y la taladrina provoca un choque térmico que es perjudicial para la herramienta ya que es difícil que esta taladrina se reparta uniformemente por el corte de la herramienta y lo refrigere por igual. Esto es especialmente importante en las operaciones de desbaste.

Normalmente, para operaciones de acabado la utilización de refrigerante líquido asegura una mejor calidad superficial, especialmente si la máquina dispone de sistemas para estabilizar la temperatura. Es habitual entonces utilizar refrigerante líquido en operaciones de acabado incluso en materiales muy duros.

Opcionalmente se puede emplear aceite como refrigerante (ya sea en estado líquido o en forma pulverizada) porque proporciona mejores resultados en la calidad superficial de la pieza para aceros en general, cobre y grafito. El problema del aceite es su potencialidad a la inflamación, especialmente cuando las temperaturas de trabajo son tan elevadas. Por este motivo no es el refrigerante más empleado en los talleres de mecanizado. De todas formas es muy adecuado para el mecanizado de electrodos de cobre y grafito, debido a que les temperaturas de trabajo no son tan elevadas, reduciéndose así el riesgo.

Pero el sistema de refrigeración que se está imponiendo en el mecanizado de los aceros es el de utilizar solamente aire a presión dirigido al corte. Las propiedades refrigerantes del aire a presión no son tan buenas como las de los refrigerantes líquidos, pero es sin duda alguna un muy buen sistema para evacuar la viruta, al ofrecer la seguridad de llegar a toda la superficie de corte. Además, no requiere de ningún tratamiento residual después de su uso. Incluso se pueden encontrar actualmente sistemas donde este aire a presión es previamente enfriado a muy baja temperatura para aumentar su poder refrigerante sobre el corte.

Sea cual fuere el refrigerante elegido se encuentran también distintas opciones constructivas que permiten la aplicación de éste sobre el corte de una manera más o menos efectiva.

Las muy usuales lanzas o surtidores laterales presentan el problema de que es muy difícil su correcta orientación, especialmente si se han de utilizar herramientas de longitud muy diferente de manera automática. Además, no garantizan una distribución homogénea de la refrigeración.

La solución constructiva más adecuada es la utilización de la refrigeración a través del cabezal. Ésta puede ser directamente a través de la herramienta (existen herramientas que disponen de canales interiores de flujo del refrigerante que orientan a este directamente a la zona de corte) (figura 30) o a través del portaherramientas (figuras 31 y 32). La primera es la mejor, pero presenta el gran problema de que estos tipos de herramientas tienen un precio mucho más elevado que las normales. En la segunda opción, la más empleada, las herramientas son estándar y los portaherramientas por esta tecnología ya están normalmente preparados para estos tipos de refrigeración.

Fig. 31	Fig. 32