O mecanizado de precisión é un proceso para eliminar material dunha peza de traballo durante a realización de acabados con tolerancia estreita. A máquina de precisión ten moitos tipos, incluíndo fresado, torneado e mecanizado por descarga eléctrica. Unha máquina de precisión hoxe en día xeralmente contrólase mediante un control numérico por computadora (CNC).
Case todos os produtos metálicos empregan mecanizado de precisión, do mesmo xeito que moitos outros materiais como o plástico e a madeira. Estas máquinas son operadas por maquinistas especializados e adestrados. Para que a ferramenta de corte faga o seu traballo, debe moverse nas direccións especificadas para realizar o corte correcto. Este movemento primario chámase "velocidade de corte". A peza de traballo tamén se pode mover, o que se coñece como movemento secundario de "avance". Xuntos, estes movementos e o afiamento da ferramenta de corte permiten que a máquina de precisión funcione.
A mecanización de precisión de calidade require a capacidade de seguir planos extremadamente específicos feitos por programas CAD (deseño asistido por ordenador) ou CAM (fabricación asistida por ordenador) como AutoCAD e TurboCAD. O software pode axudar a producir os diagramas ou esquemas complexos e tridimensionais necesarios para fabricar unha ferramenta, máquina ou obxecto. Estes planos deben cumprirse con gran detalle para garantir que un produto conserve a súa integridade. Aínda que a maioría das empresas de mecanización de precisión traballan con algún tipo de programa CAD/CAM, seguen traballando a miúdo con bosquexos debuxados a man nas fases iniciais dun deseño.
A mecanización de precisión utilízase nunha serie de materiais, incluíndo aceiro, bronce, grafito, vidro e plásticos, por citar algúns. Dependendo do tamaño do proxecto e dos materiais que se vaian usar, usaranse varias ferramentas de mecanización de precisión. Pódese usar calquera combinación de tornos, fresadoras, furadoras, serras e amoladoras, e mesmo robótica de alta velocidade. A industria aeroespacial pode usar a mecanización de alta velocidade, mentres que unha industria de fabricación de ferramentas de carpintería pode usar procesos de gravado e fresado fotoquímicos. A produción dunha tirada, ou unha cantidade específica de calquera artigo en particular, pode contarse por miles ou ser só uns poucos. A mecanización de precisión a miúdo require a programación de dispositivos CNC, o que significa que están controlados numericamente por ordenador. O dispositivo CNC permite seguir dimensións exactas ao longo da tirada dun produto.
O fresado é o proceso de mecanizado que consiste en empregar cortadores rotativos para eliminar material dunha peza de traballo avanzando (ou introducindo) o cortador na peza de traballo nunha determinada dirección. O cortador tamén se pode manter nun ángulo relativo ao eixe da ferramenta. O fresado abrangue unha ampla variedade de operacións e máquinas diferentes, a escalas que van desde pezas individuais pequenas ata operacións de fresado en grupo grandes e pesadas. É un dos procesos máis utilizados para mecanizar pezas personalizadas con tolerancias precisas.
O fresado pódese realizar cunha ampla gama de máquinas ferramenta. A clase orixinal de máquinas ferramenta para o fresado foi a fresadora (a miúdo chamada laminadora). Tras a chegada do control numérico por computadora (CNC), as fresadoras evolucionaron ata converterse en centros de mecanizado: fresadoras complementadas por cambiadores automáticos de ferramentas, almacéns ou carruseis de ferramentas, capacidade CNC, sistemas de refrixeración e carcasas. Os centros de fresado clasifícanse xeralmente como centros de mecanizado vertical (VMC) ou centros de mecanizado horizontal (HMC).
A integración do fresado en entornos de torneado, e viceversa, comezou coas ferramentas motorizadas para tornos e o uso ocasional de fresadoras para operacións de torneado. Isto levou a unha nova clase de máquinas ferramenta, as máquinas multitarefa (MTM), que están deseñadas especificamente para facilitar o fresado e o torneado dentro do mesmo ámbito de traballo.
Para os enxeñeiros de deseño, os equipos de I+D e os fabricantes que dependen do abastecemento de pezas, o mecanizado CNC de precisión permite a creación de pezas complexas sen procesamento adicional. De feito, o mecanizado CNC de precisión a miúdo fai posible que as pezas acabadas se fabriquen nunha soa máquina.
O proceso de mecanizado elimina material e emprega unha ampla gama de ferramentas de corte para crear o deseño final, e a miúdo moi complexo, dunha peza. O nivel de precisión mellórase mediante o uso de control numérico por computadora (CNC), que se emprega para automatizar o control das ferramentas de mecanizado.
O papel do "CNC" no mecanizado de precisión
Usando instrucións de programación codificadas, o mecanizado CNC de precisión permite cortar e dar forma a unha peza segundo as especificacións sen a intervención manual dun operador da máquina.
Tomando un modelo de deseño asistido por ordenador (CAD) proporcionado por un cliente, un maquinista experto usa software de fabricación asistida por ordenador (CAM) para crear as instrucións para o mecanizado da peza. Baseándose no modelo CAD, o software determina que traxectorias de ferramentas son necesarias e xera o código de programación que lle indica á máquina:
■ Cales son as RPM e as velocidades de alimentación correctas
■ Cando e onde mover a ferramenta e/ou a peza de traballo
■ A que profundidade cortar
■ Cando aplicar refrixerante
■ Calquera outro factor relacionado coa velocidade, a taxa de avance e a coordinación
Un controlador CNC usa entón o código de programación para controlar, automatizar e monitorizar os movementos da máquina.
Hoxe en día, o CNC é unha característica integrada nunha ampla gama de equipos, desde tornos, fresadoras e fresadoras ata electroerosión por fío (mecanizado por descarga eléctrica), máquinas de corte por láser e plasma. Ademais de automatizar o proceso de mecanizado e mellorar a precisión, o CNC elimina as tarefas manuais e libera os maquinistas para supervisar varias máquinas que funcionan ao mesmo tempo.
Ademais, unha vez deseñada unha traxectoria de ferramenta e programada unha máquina, esta pode executar unha peza calquera número de veces. Isto proporciona un alto nivel de precisión e repetibilidade, o que á súa vez fai que o proceso sexa moi rendible e escalable.
Materiais que se mecanizan
Algúns metais que se mecanizan habitualmente inclúen o aluminio, o latón, o bronce, o cobre, o aceiro, o titanio e o zinc. Ademais, tamén se pode mecanizar madeira, escuma, fibra de vidro e plásticos como o polipropileno.
De feito, case calquera material pódese usar coa mecanización CNC de precisión, por suposto, dependendo da aplicación e dos seus requisitos.
Algunhas vantaxes do mecanizado CNC de precisión
Para moitas das pezas e compoñentes pequenos que se empregan nunha ampla gama de produtos fabricados, o mecanizado CNC de precisión adoita ser o método de fabricación escollido.
Como ocorre con practicamente todos os métodos de corte e mecanizado, os diferentes materiais compórtanse de xeito diferente, e o tamaño e a forma dun compoñente tamén teñen un grande impacto no proceso. Non obstante, en xeral, o proceso de mecanizado CNC de precisión ofrece vantaxes sobre outros métodos de mecanizado.
Isto débese a que o mecanizado CNC é capaz de ofrecer:
■ Un alto grao de complexidade das pezas
■ Tolerancias axustadas, que normalmente oscilan entre ±0,0002" (±0,00508 mm) e ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabados superficiais excepcionalmente lisos, incluídos acabados personalizados
■ Repetibilidade, mesmo en volumes elevados
Mentres que un maquinista habilidoso pode usar un torno manual para fabricar unha peza de calidade en cantidades de 10 ou 100, que ocorre cando se necesitan 1.000 pezas? 10.000 pezas? 100.000 ou un millón de pezas?
Co mecanizado CNC de precisión, podes obter a escalabilidade e a velocidade necesarias para este tipo de produción de alto volume. Ademais, a alta repetibilidade do mecanizado CNC de precisión ofréceche pezas que son todas iguais de principio a fin, independentemente de cantas pezas esteas a producir.
Existen algúns métodos moi especializados de mecanizado CNC, como a electroerosión por fío (mecanizado por descarga eléctrica), o mecanizado aditivo e a impresión láser 3D. Por exemplo, a electroerosión por fío utiliza materiais condutores (normalmente metais) e descargas eléctricas para erosionar unha peza e darlle formas complexas.
Non obstante, aquí centrarémonos nos procesos de fresado e torneado, dous métodos subtractivos que están amplamente dispoñibles e se usan con frecuencia para o mecanizado CNC de precisión.
Fresado vs. torneado
O fresado é un proceso de mecanizado que emprega unha ferramenta de corte cilíndrica rotatoria para eliminar material e crear formas. O equipo de fresado, coñecido como fresadora ou centro de mecanizado, consegue un universo de xeometrías de pezas complexas nalgúns dos obxectos metálicos mecanizados máis grandes.
Unha característica importante do fresado é que a peza permanece fixa mentres a ferramenta de corte xira. Noutras palabras, nunha fresadora, a ferramenta de corte rotatoria móvese arredor da peza, que permanece fixa no seu lugar sobre unha base.
O torneado é o proceso de cortar ou dar forma a unha peza nun equipo chamado torno. Normalmente, o torno fai xirar a peza sobre un eixe vertical ou horizontal mentres unha ferramenta de corte fixa (que pode estar xirando ou non) se move ao longo do eixe programado.
A ferramenta non pode xirar fisicamente arredor da peza. O material xira, o que permite que a ferramenta realice as operacións programadas. (Non obstante, existe un subconxunto de tornos nos que as ferramentas xiran arredor dun fío alimentado por bobina, que non se trata aquí.)
No torneado, a diferenza do fresado, a peza xira. A peza xira sobre o eixo do torno e a ferramenta de corte entra en contacto coa peza.
Mecanizado manual fronte a mecanizado CNC
Aínda que tanto os fresadores como os tornos están dispoñibles en modelos manuais, as máquinas CNC son máis axeitadas para a fabricación de pezas pequenas, xa que ofrecen escalabilidade e repetibilidade para aplicacións que requiren unha produción de gran volume de pezas con tolerancias axustadas.
Ademais de ofrecer máquinas sinxelas de 2 eixes nas que a ferramenta se move nos eixes X e Z, os equipos CNC de precisión inclúen modelos multieixe nos que a peza tamén se pode mover. Isto contrasta cun torno, onde a peza está limitada a xirar e as ferramentas se moven para crear a xeometría desexada.
Estas configuracións multieixe permiten a produción de xeometrías máis complexas nunha soa operación, sen requirir traballo adicional por parte do operador da máquina. Isto non só facilita a produción de pezas complexas, senón que tamén reduce ou elimina a posibilidade de erro do operador.
Ademais, o uso de refrixerante a alta presión con mecanizado CNC de precisión garante que as virutas non entren na peza, mesmo cando se utiliza unha máquina cun fuso orientado verticalmente.
fresadoras CNC
As diferentes fresadoras varían nos seus tamaños, configuracións de eixes, velocidades de avance, velocidade de corte, dirección de avance do fresado e outras características.
Non obstante, en xeral, as fresadoras CNC utilizan un eixo rotatorio para cortar material non desexado. Úsanse para cortar metais duros como o aceiro e o titanio, pero tamén se poden usar con materiais como o plástico e o aluminio.
As fresadoras CNC están deseñadas para a repetibilidade e pódense usar para todo, dende a creación de prototipos ata a produción de gran volume. As fresadoras CNC de precisión de alta gama úsanse a miúdo para traballos de tolerancia axustada, como o fresado de matrices e moldes finos.
Aínda que o fresado CNC pode ofrecer un tempo de entrega rápido, o acabado tal como se fresa crea pezas con marcas de ferramentas visibles. Tamén pode producir pezas con algúns bordos afiados e rebabas, polo que poden ser necesarios procesos adicionais se os bordos e as rebabas non son aceptables para esas características.
Por suposto, as ferramentas de desbarbado programadas na secuencia desbarbarán, aínda que normalmente acadarán como máximo o 90 % do acabado requirido, o que deixa algunhas características para o acabado manual final.
En canto ao acabado superficial, existen ferramentas que producirán non só un acabado superficial aceptable, senón tamén un acabado similar a un espello en partes do produto traballado.
Tipos de fresadoras CNC
Os dous tipos básicos de fresadoras coñécense como centros de mecanizado verticais e centros de mecanizado horizontais, onde a principal diferenza reside na orientación do eixo da máquina.
Un centro de mecanizado vertical é unha fresadora na que o eixe do fuso está aliñado na dirección do eixe Z. Estas máquinas verticais pódense dividir en dous tipos:
■ Fresadoras de bancada, nas que o fuso se move paralelamente ao seu propio eixe mentres que a mesa se move perpendicularmente ao eixe do fuso
■ Fresadoras de torreta, nas que o fuso está fixo e a mesa móvese de xeito que sempre sexa perpendicular e paralela ao eixe do fuso durante a operación de corte
Nun centro de mecanizado horizontal, o eixe do fuso da fresadora está aliñado na dirección do eixe Y. A estrutura horizontal significa que estas fresadoras tenden a ocupar máis espazo no taller; tamén son xeralmente máis pesadas e máis potentes que as máquinas verticais.
Unha fresadora horizontal úsase a miúdo cando se require un mellor acabado superficial; isto débese a que a orientación do eixo fai que as virutas de corte caian de forma natural e se eliminen con facilidade. (Como beneficio adicional, a eliminación eficiente das virutas axuda a aumentar a vida útil da ferramenta).
En xeral, os centros de mecanizado verticais son máis frecuentes porque poden ser tan potentes como os centros de mecanizado horizontais e poden manexar pezas moi pequenas. Ademais, os centros verticais teñen un tamaño máis pequeno que os centros de mecanizado horizontais.
Fresadoras CNC multieixe
Os centros de fresado CNC de precisión están dispoñibles con varios eixes. Un fresador de 3 eixes utiliza os eixes X, Y e Z para unha ampla variedade de traballos. Cun fresador de 4 eixes, a máquina pode xirar sobre un eixe vertical e horizontal e mover a peza para permitir un mecanizado máis continuo.
Unha fresadora de 5 eixes ten tres eixes tradicionais e dous eixes rotatorios adicionais, o que permite que a peza xire mentres o cabezal do fuso se move arredor dela. Isto permite mecanizar cinco lados dunha peza sen retirar a peza e reiniciar a máquina.
Tornos CNC
Un torno, tamén chamado centro de torneado, ten un ou máis fusos e eixes X e Z. A máquina úsase para xirar unha peza sobre o seu eixe para realizar diversas operacións de corte e conformado, aplicando unha ampla gama de ferramentas á peza.
Os tornos CNC, tamén chamados tornos de ferramentas de acción real, son ideais para crear pezas cilíndricas ou esféricas simétricas. Do mesmo xeito que as fresadoras CNC, os tornos CNC poden xestionar operacións máis pequenas como a creación de prototipos, pero tamén se poden configurar para unha alta repetibilidade, o que permite a produción de grandes volumes.
Os tornos CNC tamén se poden configurar para a produción relativamente mans libres, o que os fai amplamente utilizados nas industrias automotriz, electrónica, aeroespacial, robótica e de dispositivos médicos.
Como funciona un torno CNC
Nun torno CNC, cárgase unha barra en bruto de material bruto no mandril do eixo do torno. Este mandril mantén a peza no seu lugar mentres o eixo xira. Cando o eixo alcanza a velocidade requirida, unha ferramenta de corte estacionaria ponse en contacto coa peza para eliminar material e conseguir a xeometría correcta.
Un torno CNC pode realizar unha serie de operacións, como perforación, roscado, mandrinado, escariado, refrentado e torneado cónico. As diferentes operacións requiren cambios de ferramenta e poden aumentar o custo e o tempo de configuración.
Cando se completan todas as operacións de mecanizado necesarias, a peza córtase do material para o seu posterior procesamento, se é necesario. O torno CNC está entón listo para repetir a operación, con pouco ou ningún tempo de configuración adicional que normalmente se require entremedias.
Os tornos CNC tamén poden acomodar unha variedade de alimentadores automáticos de barras, o que reduce a cantidade de manipulación manual de materias primas e proporciona vantaxes como as seguintes:
■ Reducir o tempo e o esforzo que require o operador da máquina
■ Apoiar a barra para reducir as vibracións que poden afectar negativamente á precisión
■ Permitir que a máquina ferramenta funcione a velocidades óptimas do fuso
■ Minimizar os tempos de cambio
■ Reducir o desperdicio de materiais
Tipos de tornos CNC
Hai varios tipos diferentes de tornos, pero os máis comúns son os tornos CNC de 2 eixes e os tornos automáticos de estilo chinés.
A maioría dos tornos CNC chineses empregan un ou dous fusos principais máis un ou dous fusos traseiros (ou secundarios), sendo a transferencia rotatoria a responsable do primeiro. O fuso principal realiza a operación de mecanizado primaria, coa axuda dun casquillo guía.
Ademais, algúns tornos de estilo chinés veñen equipados cun segundo cabezal de ferramentas que funciona como unha fresadora CNC.
Cun torno automático CNC de estilo chinés, o material bruto aliméntase a través dun eixo de cabezal deslizante cara a un casquillo guía. Isto permite que a ferramenta corte o material máis preto do punto onde se apoia o material, o que fai que a máquina chinesa sexa especialmente beneficiosa para pezas torneadas longas e delgadas e para o micromecanizado.
Os centros de torneado CNC multieixe e os tornos de estilo chinés poden realizar múltiples operacións de mecanizado cunha soa máquina. Isto convérteos nunha opción rendible para xeometrías complexas que doutro xeito requirirían varias máquinas ou cambios de ferramentas usando equipos como unha fresadora CNC tradicional.