Aspectos importantes a tener en cuenta al trabajar a altas revoluciones

La principal tarea de ingeniería de estos husillos es lograr que funcionen con una elevada velocidad de rotación y que el equilibrio entre la velocidad dada y el par sea perfecto. El rendimiento del husillo depende de diferentes factores. Uno de los más importantes está relacionado con el concepto del diseño, con un sistema de rodamientos combinado o simple, los componentes estancos y el método de retención de la herramienta.

Durante el mecanizado el husillo no está en contacto directo con la pieza, sino que interactúa con ella a través de la herramienta de corte. Esta conexión actúa como un conductor y transforma las impresionantes capacidades de un husillo de alta velocidad en los mejores resultados del proceso. El otro elemento básico entre la herramienta y el husillo es el portaherramientas. Un bajo rendimiento del conjunto formado por la herramienta y el portaherramientas puede llegar a anular la función del husillo. Por tanto, el mecanizado a alta velocidad endurece los requisitos de precisión, fiabilidad y seguridad del conjunto.

Una elevada velocidad de rotación genera fuerzas centrífugas. En mecanizado a alta velocidad estas fuerzas crecen exponencialmente y se convierten en una pesada carga sobre la herramienta, que determina su durabilidad. En el fresado con plaquitas intercambiables, las elevadas fuerzas centrífugas pueden ocasionar la rotura de los tornillos de fijación de las plaquitas y daños en el cuerpo de la fresa. Los fragmentos formados no sólo pueden dañar la máquina y la pieza, también son muy peligrosos para el operario.

Teniendo en cuenta todo esto, los fabricantes de herramientas de corte se ven obligados a estudiar e implementar el diseño y los medios técnicos necesarios para garantizar la fiabilidad de sus productos. Por consiguiente, en el caso de las fresas con plaquitas intercambiables, es fundamental que cuenten con una rígida fijación de las plaquitas y una robusta estructura del cuerpo.

Empecemos por el tornillo de fijación, el elemento más pequeño y débil de todo un sistema tecnológico, pero con un gran impacto en la fiabilidad del sistema y esencialmente en las fresas para alta velocidad con plaquitas intercambiables. El apriete de los tornillos de fijación debe controlarse utilizando llaves dinamométricas (figura 1). Sin embargo, garantizar el par de apriete óptimo no es suficiente para que la fresa trabaje con fiabilidad. Un diseño inteligente de la sujeción estará orientado a minimizar las cargas dinámicas sobre el tornillo de fijación.

Veamos como ejemplo: las fresas HSM90S FAL-22 de Iscar están diseñadas para un mecanizado eficiente de aluminio a alta velocidad. Estas fresas montan plaquitas de gran tamaño que permiten profundidades de corte de hasta 22 mm. El asiento de la plaquita tiene una nervadura en la que encasta perfectamente la ranura de la parte inferior de la plaquita (figura 2). Esto evita el desplazamiento radial de la plaquita debido a las grandes fuerzas centrífugas generadas por la alta velocidad y mejora la distribución de cargas sobre el tornillo. El diseño de la fresa ofrece un mecanizado de elevada fiabilidad a una velocidad de rotación de hasta 3.1000 rpm.

Para reducir las fuerzas centrífugas, el cuerpo de la fresa debe ser simétrico axialmente y con un alto equilibrado. Existen estándares y normas nacionales e internacionales que especifican los grados de equilibrado de las herramientas. Cuando se diseñan fresas para mecanizado a alta velocidad, es muy importante comprobar que la distribución de masas del cuerpo es simétrica con respecto al eje de dicho cuerpo. Se trata de un equilibrio teórico de un objeto virtual, por lo que no puede sustituir al equilibrado físico de un cuerpo real, pero disminuye sustancialmente el desequilibrio de masas del futuro producto, facilitando en gran medida el equilibrado ‘físico’. Es bien sabido que el objetivo de un ingeniero dedicado a diseñar herramientas es concebir una fresa para plaquitas intercambiables cuyo cuerpo, y en especial la superficie del asiento de la plaquita, sea lo más duro posible para incrementar la resistencia al desgaste. Sin embargo, cuanto más duro sea el cuerpo de la fresa para alta velocidad de rotación, más fácil es que se produzca su rotura. Por tanto, otra de las partes importantes de la búsqueda de soluciones de herramientas para mecanizado a alta velocidad es encontrar el equilibrio ideal entre resistencia a la rotura y al desgaste.

Las herramientas de metal duro integral se caracterizan por su mayor precisión y mejor simetría axial en comparación con las fresas con plaquitas intercambiables. Las herramientas integrales suelen tener menor diámetro y conllevan un mayor número de revoluciones para la misma velocidad. Esto explica por qué la mayor parte de las herramientas para mecanizado a alta velocidad son de metal duro integral.

Estas herramientas habitualmente se fabrican con diversos sustratos de metal duro, aunque últimamente se utiliza mucho la cerámica para el mecanizado a alta velocidad de súper aleaciones a altas temperaturas. Aún y así, la selección de una herramienta integral, especialmente si se trata de fresas para mecanizado a alta velocidad, no es tarea fácil.

Normalmente, la relación entre el diámetro y el voladizo de las fresas de metal duro integral (SCEM) es mayor que la de las fresas con plaquitas intercambiables. Esta característica junto con la forma de los labios, que debilita la sección transversal de la herramienta, hace que haya que prestar una atención especial a la resistencia a las vibraciones de las herramientas de metal duro integrales.

Para mejorar la estabilidad y evitar vibraciones, los diseñadores de herramientas suelen aplicar un diseño de paso diferencial y hélice variable. Este diseño rompe el principio de simetría axial, lo que puede producir el efecto contrario. Por lo tanto, un diseño óptimo e inteligente para las fresas de metal duro requiere de todo el conocimiento de los ingenieros con el riesgo adecuado (figura 3).

Lograr una herramienta equilibrada y sin vibraciones es sólo la mitad del camino. Ya hemos mencionado que es el portaherramientas monta en un husillo de alta velocidad. Entonces, ¿para qué queremos la herramienta ideal, si el portaherramientas no es el adecuado para HSM?

En HSM las características dinámicas de la herramienta no se pueden separar de las del portaherramientas (conos). Por ejemplo, el equilibrado de la fresa debe hacerse montada en el portaherramientas para cumplir con todos los requisitos de precisión, fiabilidad y seguridad.

Los modernos sistemas CAD/CAM realizan simulaciones del comportamiento dinámico de diferentes productos en base a sus modelos 3D. Hoy en día, los fabricantes de herramientas proporcionan modelos de las herramientas, portas y accesorios. De hecho, nos enorgullecemos en reconocer que, en los últimos años, Iscar ha ampliado significativamente las opciones de montaje digital de conjuntos de herramientas en el catálogo electrónico.

En conclusión, el mecanizado a alta velocidad ha influido en la necesidad de requisitos específicos en las herramientas y portaherramientas. El cumplimiento de estas nuevas exigencias hace del HSM una operación de alta ingeniería con la máxima eficiencia.