Herramientas para la fabricación de grandes piezas

El transporte al taller, el montaje en máquina, el centrado y la correcta fijación de la pieza, así como el ajuste de la máquina suponen importantes desafíos. La manipulación de grandes piezas no es tarea fácil y con frecuencia requiere soluciones atípicas. El mecanizado de grandes piezas suele conllevar una elevada extracción de material, que puede ocasionar significativas deformaciones a causa de las tensiones no liberadas. Otro factor que puede ocasionar problemas dimensionales es la expansión térmica generada por el calor durante el mecanizado: las piezas de gran tamaño son mucho más sensibles a este fenómeno que las piezas de tamaño más “normal”. La necesidad de extraer una elevada cantidad de material precisa también de una fluida evacuación de viruta, para evitar efectos negativos de las virutas sobre las herramientas de corte.

La clave para superar las dificultades reside en la tecnología, y se basa en una efectiva planificación del proceso y en la utilización de las herramientas más adecuadas, la fijación óptima y el mínimo número de traslados y operaciones de las piezas. Un mecanizado con un solo montaje representa el ideal absoluto para piezas de gran tamaño, por lo que los fabricantes de industrias como la generación de energía, aeronáutica, ferroviaria, moldes y matrices y pesadas hacen todo lo posible para acercarse a este ideal. Y es ahí, donde las herramientas de corte desempeñan un papel significativo para alcanzar este objetivo.

Una característica distintiva de estas industrias es el considerable consumo del número de herramientas para aplicaciones pesadas, la mayor parte de ellas intercambiables, destinadas a una productiva extracción de grandes cantidades de material, especialmente en operaciones de mecanizado de desbaste y semi-desbaste.

Los fabricantes de piezas de gran tamaño esperan de las herramientas de corte lo mismo que todos los que utilizan tecnologías de mecanizado de metales: excelente rendimiento, larga duración de la herramienta y elevada fiabilidad. Estos dos últimos factores son especialmente importantes porque el gran tamaño aumenta la duración del mecanizado, por lo que la sustitución de una herramienta gastada o la impredecible rotura de la herramienta durante el mecanizado son totalmente inaceptables. Con el fin de cumplir al máximo con los requisitos de los productores de grandes piezas, los fabricantes de herramientas de corte ofrecen diferentes soluciones, con diseños estándar o especiales. Como líder en la industria de la fabricación de herramientas de corte, los años de experiencia y conocimientos acumulados de Iscar son fundamentales para desarrollar soluciones a estos retos.

Es difícil mecanizar una pieza de gran tamaño sin ninguna operación de planeado. El mecanizado de desbaste y acabado de planos libres y limitados, y la preparación de superficies de referencia precisan varias fresas de planear con plaquitas intercambiables. Las fresas estándar de planear de Iscar tienen diámetro nominal de hasta 315 mm y las especiales pueden tener valores superiores. Las plaquitas para estas fresas tienen diferentes geometrías para mecanizar diferentes grupos de materiales. La extracción de una importante cantidad de material por fresado es fundamental para la fabricación de piezas de gran tamaño de acero y fundición y, algo menos, para titanio y aluminio.

La línea de fresas de planear estándar de Iscar incluye múltiples familias diseñadas para el mecanizado de grandes piezas. La línea Helitang T465 incluye fresas a 65º para plaquitas tangenciales. Su robusto diseño permite un mecanizado muy productivo con profundidad de corte de hasta 19 mm.

La familia Helido 890 comprende fresas a 89º con plaquitas cuadradas de dos caras (figura 1). Estas eficientes fresas, verdaderamente indispensables para el planeado próximo a paredes, ofrecen una importante ventaja económica: la plaquita cuadrada tiene 8 filos de corte para profundidades de hasta 9 mm.

Las fresas multidiente intercambiables con ‘filos de corte largos’ están consideradas como las mejores herramientas para el fresado de desbaste, destacando en el mecanizado de cavidades y escuadras profundas. Las fresas multidiente también se utilizan en ‘canteado’, una operación muy común para un primer contorneado de bloques y lingotes.

La línea Iscar de fresas multidiente intercambiables incluye diferentes configuraciones, con mango integral y huecas y con plaquitas radiales o tangenciales. Estas herramientas trabajan con elevadas condiciones de corte y con significativas cargas mecánicas y térmicas. Una extracción intensiva de material requiere canales de evacuación de viruta de un volumen adecuado, para garantizar su evacuación efectiva. La solución puede mejorar espectacularmente utilizando fresas multidiente de Iscar con plaquitas con geometría fraccionadora de viruta, que la divide en pequeños trozos. Como resultado, las fuerzas de corte disminuyen, las vibraciones se estabilizan y se evitan problemas térmicos y embotamientos.

Aunque las fresas con ángulo de posición de 90º son las más utilizadas, el mecanizado de grandes piezas también precisa fresas de desbaste para superficies inclinadas y con formas (3D), para lo que Iscar propone una familia de fresas multidiente cónicas con ángulo de posición entre 22, 5º y 75. En algunos casos, especialmente en la producción de moldes y matrices, es necesario combinar el fresado de desbaste y el escuadrado. Las fresas multidiente hemisféricas Dropmill 3 se han diseñado específicamente para estas aplicaciones.

La fabricación de grandes piezas de aleaciones de titanio de baja maquinabilidad para aeronáutica es un proceso extremadamente intenso, con una significativa relación entre la cantidad de material inicial y final. El peso de una pieza terminada puede ser del 10% del inicial, e incluso menos. La familia de fresas multidiente XQUAD, uno de los productos más nuevos de Iscar, se diseñó para el fresado de alta eficiencia de cavidades profundas y amplios cantos en piezas de titanio. Estas herramientas (figura 2) son adecuadas para trabajar con alta presión de refrigerante, lo que aumenta significativamente la productividad y prolonga la duración de la herramienta. Estas fresas ya han demostrado su eficacia: por ejemplo, se ha conseguido un índice de extracción de metal de 700-1.000 cm³/min utilizando una fresa XQUAD de 80 mm de diámetro.

En ingeniería ferroviaria, se utilizan fresas combinadas para garantizar el fresado simultáneo de diferentes zonas de la pieza. Estas herramientas incorporan filos de corte multidiente, formados por plaquitas intercambiables montadas de forma secuencial. (Figura 3).

El mecanizado de alta eficiencia con fresas multidiente intercambiables y de planear de gran diámetro se puede comparar con el trabajo de una excavadora pesada que extrae arena con su gran cucharón. El cucharón lleno de arena, accionado por un potente motor, mueve lentamente un gran volumen de material de desecho. Al mismo tiempo, hay un sistema alternativo para una excavación eficiente. Imagine una excavadora de oruga con un rápido sistema de excavación por cadena. Cada eslabón de la cadena extrae un pequeño volumen de arena, pero lo hace muy rápidamente. En mecanizado de metales, la excavadora es una fresa con alto avance, que trabaja a una baja profundidad de corte, pero con un avance por diente muchísimo más alto de lo habitual, milímetros frente a décimas de milímetros.

Las fresas con alto avance se utilizan principalmente para el desbaste de superficies planas, cavidades y superficies 3D (figura 4). Estas herramientas se utilizan mucho en la fabricación de grandes piezas de acero y fundición, aunque en la actualidad, el fresado con alto avance de piezas de titanio y aleaciones a altas temperaturas ya no es algo inusual.

Iscar tiene una amplia gama de familias de fresas con alto avance para diferentes materiales y aplicaciones. El ‘mundo’ de las fresas Iscar con alto avance abarca una gama de diámetros hasta 160 mm, con lo que cubre las necesidades del cliente más exigente.

El fresado con alto avance precisa de máquinas herramienta con accionamiento a alta velocidad. Los fabricantes de grandes piezas suelen utilizar maquinaria lenta y pesada de gran potencia, no adecuada para el planeado con alto avance. Para estos clientes, Iscar ha diseñado las Fresas con Avance Moderado (MF). En comparación con las de alto avance, las fresas con avance moderado tienen un mayor ángulo de posición, se mueven algo más lentamente, pero mecanizan a mayor profundidad y necesitan más potencia para que se puedan utilizar con máquinas pesadas.

Las grandes piezas suelen fabricarse con materiales de baja maquinabilidad, como como fundición o aceros duros y con elevada resistencia al desgaste. La pieza de estructura de soldada y el proceso de reparación de zonas gastadas, rellenándolas con proyección o soldadura, añaden materiales que son también difíciles de mecanizar. El fresado con alta velocidad (HSM) resuelve este problema. Originalmente implementado en la fabricación de moldes y matrices, el fresado a alta velocidad se desarrolló como un sistema de fresado de acero templado que permitía reducir la necesidad de mover la pieza y el centrado y minimizar los procesos manuales de acabado y pulido, por lo que se reducía la duración del tiempo de mecanizado. El fresado a alta velocidad se caracteriza por utilizar fresas de pequeño diámetro que giran a alta velocidad y con pasadas ligeras y poco profundas.

La mejor herramienta para alta velocidad es una fresa de metal duro integral, aunque la familia de fresas modulares multi-master de Iscar, con cabezas intercambiables de metal duro integral, también es una buena opción. La línea de fresas integrales de Iscar incluye herramientas multi-labio de hasta 20 mm de diámetro, diseñadas para el fresado a alta velocidad de materiales de hasta 70 HRc de dureza. La disminución de las creces de mecanizado, gracias a la mayor precisión que se obtiene en la producción de grandes piezas, mediante fundición o moldeo, ofrece nuevas oportunidades para el fresado de alta velocidad.

En muchos casos, la fabricación de piezas de gran tamaño se realiza en pequeñas unidades, e incluso de una en una, por lo que minimizar los tiempos muertos de máquina tiene una importancia crítica. La planificación inteligente del proceso para reducir el tiempo de ajuste puede ayudar a resolver este problema. Cada vez que se sustituye una herramienta gastada es necesario realizar correcciones al programa CNC y mediciones adicionales, lo que aumenta el tiempo de parada.

Las familias Iscar de herramientas modulares rotativas con cabezas intercambiables (fresas multi-master y brocas sumocham, figura 5) reducen sustancialmente estos tiempos muertos. El contacto frontal entre la cabeza y el cuerpo de la herramienta garantiza que el voladizo se mantiene estrictamente dentro de los límites de tolerancia, dando como resultado una elevada repetibilidad dimensional del conjunto. La sustitución de una cabeza gastada no requiere ninguna operación adicional de ajuste, ni desmontar la herramienta de la máquina.

El fresado-torneado, que es un sistema de mecanizado de una pieza rotativa utilizando una fresa de planear, es una buena opción para piezas rotativas pesadas. En torneado, la velocidad de corte es una función de la velocidad de rotación. Si el husillo principal de la máquina no permite la rotación de grandes volúmenes con la velocidad requerida, debido a sus propias limitaciones, la velocidad de corte estará lejos de la gama óptima y el rendimiento del torneado será bajo. El torneado con fresa es una solución efectiva a este problema. En el torneado de grandes piezas excéntricas, como por ejemplo un cigüeñal, las partes de la pieza desalineadas con el centro generan fuerzas desequilibradas que afectan negativamente al rendimiento. El fresado-torneado se caracteriza por la baja velocidad de rotación de la pieza, lo que evita este negativo efecto (figura 6).

La mayor parte de las fresas de planear intercambiables de Iscar son adecuadas para operaciones de torneado. El éxito de la aplicación depende de la posición de la fresa con respecto de la pieza a mecanizar, de la selección de la geometría óptima de la plaquita y del correcto cálculo de las condiciones de corte. Los especialistas de ISCAR en este campo han estudiado la cinemática del fresado-torneado y han desarrollado la metodología para definir estos parámetros.

El mecanizado de grandes partes es un proceso que requiere mucho tiempo, en el que las herramientas cortan el material durante un largo periodo, por lo que la fiabilidad, estabilidad y la predicción del desgaste son factores esenciales. Un fallo repentino de la herramienta puede dañar seriamente la pieza y ser causa de su rechazo. Un fabricante de herramientas de corte dispone de un limitado número de instrumentos para mejorar la repetibilidad, entre los que se incluye un avanzado diseño de la herramienta, material de corte progresivo y desarrollos tecnológicos. La efectiva utilización de estos instrumentos es clave para el éxito del mecanizado de grandes piezas, y la recientemente lanzada gama de nuevas herramientas y calidades Iscar ofrecen esta clave.