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Cómo superar los retos constantes del mecanizado con grandes voladizos

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En la actualidad existe una serie de tendencias en el sector de la fabricación que pone de relieve la dificultad para crear diámetros interiores de precisión y efectuar operaciones de torneado con herramientas de largos voladizos. La demanda de tolerancias más estrictas y repetibilidad sin errores aumenta continuamente. Los nuevos materiales a mecanizar de alto rendimiento son más difíciles de trabajar e incrementan la tensión en el sistema de mecanizado. Para ahorrar tiempo y dinero, los fabricantes están consolidando varias piezas en una sola, lo que exige mecanizado de diámetros interiores profundos y torneado de componentes complejos en máquinas herramienta multitarea.

Los fabricantes que aspiren a superar estos retos deben analizar todos los elementos de sus sistemas de mecanizado y aplicar técnicas y herramientas que garanticen el éxito. Entre los aspectos clave se encuentran la estabilidad de la máquina, la sujeción de las herramientas, la sujeción de las piezas y la geometría de herramienta de corte. En general, una sujeción robusta, un mecanizado rígido y una aplicación cuidadosa de la herramienta sientan las bases para procesos de mandrinado y torneado de grandes voladizos precisos y productivos.

Los productores de petróleo y gas, así como los sectores de generación de energía y componentes aeronáuticos son los principales candidatos para la actualización de herramientas y técnicas, ya que tratan habitualmente con piezas grandes y complejas cuyas características requieren el uso de herramientas de gran voladizo. Muchas de las piezas se fabrican a partir de aleaciones resistentes al calor que son difíciles de mecanizar y, por tanto, dan lugar a fuerzas de corte elevadas, proclives a la generación de vibraciones intensas. En general, casi cualquier fabricante puede beneficiarse de la mejora de la productividad y la reducción de costes en las operaciones de mandrinado con grandes voladizos.

Desviación y vibración

El mandrinado profundo se diferencia de otras operaciones de corte en que el filo de corte interviene en el diámetro interior a una distancia ampliada desde la conexión a la máquina. Las operaciones de torneado interno de gran voladizo tienen unas condiciones similares, y ambas operaciones de mandrinado y torneado pueden incluir agujeros con cortes interrumpidos, como es el caso en piezas de carcasas de compresores o bombas. La longitud de voladizo de herramienta que se genera está determinada por la profundidad del agujero y puede provocar la desviación del soporte de mandrinado o de la herramienta de torneado de longitud extendida.

La desviación amplifica las fuerzas variables en los procesos de corte y puede provocar vibraciones y golpeteos que degradan la calidad superficial de la pieza, provocando el desgaste rápido o la rotura de las herramientas de corte y daños en componentes de la máquina herramienta, como los husillos, que derivan en costosas reparaciones y largos tiempos muertos. Las fuerzas variables se deben a los desequilibrios de los componentes de mecanizado, la falta de rigidez del sistema o la vibración por simpatía de los elementos del sistema de mecanizado. Las presiones de corte también cambiarán con la carga y descarga periódicas de la herramienta y la consiguiente formación y rotura de las virutas. Entre los efectos negativos de las vibraciones en el mecanizado cabe mencionar un deficiente acabado superficial, dimensiones del diámetro interior imprecisas, rápido desgaste de la herramienta, reducción de tasas de material, aumento del coste de producción y daños en los portaherramientas y las máquinas herramienta.

Rigidez de la máquina y fijación de las piezas

El enfoque básico para el control de las vibraciones en el mecanizado implica maximizar la rigidez de los elementos del sistema de mecanizado. Para restringir el movimiento no deseado, una máquina herramienta debe estar fabricada con elementos estructurales rígidos y pesados reforzados con hormigón u otro material que absorba las vibraciones. Los cojinetes y rodamientos de la máquina deben tener gran solidez y un apriete correcto.

Las piezas deben estar ubicadas correctamente y sujetas de manera segura dentro de la máquina herramienta. Las sujeciones deben estar diseñadas priorizando su sencillez y rigidez, y las bridas deben situarse lo más cerca posible de las operaciones de corte. Desde la perspectiva de la pieza con la que se trabaja, las piezas con paredes delgadas y las que tienen secciones sin soporte tienden a vibrar durante el mecanizado. Aunque se pueden volver a diseñar las piezas para mejorar la rigidez, tales cambios de diseño pueden añadir peso y afectar al rendimiento del producto mecanizado.

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Portaherramientas

Para maximizar la rigidez, el soporte de mandrinado o de torneado debe ser lo más corto posible, pero permanecer el tiempo suficiente para mecanizar el diámetro interior o componente en toda su longitud. El diámetro del soporte de mandrinado debe ser el mayor posible que se ajuste al diámetro interior sin que se vea comprometida la evacuación eficaz de las virutas.

La formación y rotura de las virutas va acompañada de un aumento y un descenso de las fuerzas de corte. Las variaciones de fuerza se convierten en una fuente adicional de vibración que puede interactuar en consonancia con el modo de vibración natural del soporte o la máquina y mantenerse o incluso aumentar. Entre otras fuentes de este tipo de vibraciones se incluyen las herramientas desgastadas o aquellas que no alcanzan una profundidad de pasada suficiente. Estos factores causan inestabilidad en el proceso, o resonancia que también se sincroniza con la frecuencia natural del husillo de una máquina o la herramienta, dando lugar a vibraciones no deseadas.

Un voladizo largo en una barra de mandrinado o de torneado puede generar vibraciones en un sistema de mecanizado. El enfoque básico para el control de vibración incluye el uso de herramientas cortas y rígidas. Cuanto mayor sea la relación de longitud a diámetro de la barra, mayor será la posibilidad de que se produzca vibración. Las barras de diferentes materiales ofrecen un comportamiento de vibración distinto.

Las barras de acero en general son resistentes a las vibraciones hasta una relación de longitud a diámetro (L/D) de barra de 4:1. Las barras de metal pesadas fabricadas en aleaciones de tungsteno son más densas que el acero y pueden alcanzar sin problemas relaciones de L/D del orden de 6:1. Las barras de metal duro proporcionan una mayor rigidez y permiten relaciones de L/D de barra de hasta 8:1, pero con el posible inconveniente de un mayor coste, especialmente en los casos en que se necesita una barra de gran diámetro.

Una forma alternativa de amortiguar las vibraciones es mediante el uso de una barra sintonizable. La barra cuenta con un amortiguador de masa interno diseñado para resonar fuera de fase con la vibración no deseada, absorber su energía y minimizar el movimiento vibratorio. El sistema Steadyline de Seco Tools, por ejemplo, incluye un sistema amortiguador de vibraciones preajustado que consta de una masa amortiguadora fabricada en material de alta densidad suspendida dentro de la barra del soporte mediante elementos de absorción radiales. La masa amortiguadora absorbe la vibración inmediatamente cuando ésta se transmite a través de la herramienta de corte al cuerpo de la barra.

Otros sistemas activos de control de vibraciones de herramientas más complejos y costosos pueden adoptar la forma de dispositivos activados electrónicamente que detectan la existencia de vibraciones y utilizan actuadores electrónicos para producir un movimiento secundario en el portaherramientas para neutralizar el movimiento no deseado.

Material a mecanizar

La características de corte del material de la pieza pueden contribuir a la generación de vibración. La dureza del material, una tendencia a acumulaciones en el filo o temple de trabajo, o la presencia de inclusiones duras, puede alterar o interrumpir las fuerzas de corte y generar vibraciones. En cierta medida, el ajuste de los parámetros de corte puede reducir las vibraciones en el mecanizado de ciertos materiales.

Geometría de herramienta de corte

La herramienta de corte en sí está sujeta a desviación tangencial y radial. La desviación radial afecta a la precisión del diámetro interior. En la desviación tangencial, la plaquita es impulsada hacia abajo lejos de la línea central de la pieza. Especialmente en el mandrinado de pequeños agujeros, el diámetro interior curvado del agujero reduce el ángulo de incidencia entre la plaquita y el diámetro interior. La desviación tangencial empuja la herramienta hacia abajo y lejos de la línea central del componente mecanizado, reduciendo el ángulo de incidencia. La desviación radial reduce la profundidad de corte, lo que afecta a la precisión de mecanizado y modifica el espesor de viruta. Los cambios en la profundidad de corte alteran las fuerzas de corte y pueden provocar vibraciones.

Las características de geometría de la plaquita, incluidas el ángulo de entrada, el ángulo de posición y el radio de punta, pueden ampliar o amortiguar la vibración. Las plaquitas con inclinación positiva, por ejemplo, crean menos fuerza de corte tangencial. Pero el ángulo de inclinación positivo pueden reducir la incidencia, lo que puede dar lugar a fricción y vibración. Un gran ángulo de inclinación y un ángulo pequeño del filo de corte producen un filo de corte afilado, lo que reduce las fuerzas de corte. Sin embargo, la arista viva puede sufrir daños por impacto o un desgaste irregular, lo que afectará al acabado superficial del diámetro interior.

Un pequeño ángulo de posición de filo de corte produce mayores fuerzas de corte axiales, mientras que un gran ángulo de posición produce fuerza en la dirección radial. Las fuerzas axiales tienen un efecto limitado en las operaciones de mandrinado, por lo que un ángulo de posición pequeño puede ser deseable. Pero un ángulo de posición pequeño también concentra las fuerzas de corte en una sección más pequeña del filo de corte que un ángulo de posición grande, lo que puede afectar negativamente a la vida útil de la herramienta. Además, el ángulo de posición de una herramienta afecta al espesor de viruta y a la dirección del flujo de viruta. El radio de punta de la plaquita debe ser menor que la profundidad de corte para minimizar las fuerzas de corte radiales.

Control de viruta

Evacuar las virutas de corte del agujero es una cuestión clave en las operaciones de mandrinado. La geometría de plaquita, las velocidades de corte y las características de corte del material a mecanizar influyen en el control de viruta. Las virutas cortas son deseables en el mandrinado, ya que son más fáciles de evacuar del orificio y minimizan las fuerzas sobre el filo de corte, pero el complejo contorneado de las geometrías de plaquitas diseñadas para romper las virutas tienden a consumir más energía y puede provocar vibraciones.

Las operaciones destinadas a crear un buen acabado superficial pueden requerir una profundidad de corte mínima que producirá virutas más finas, lo que acentuará el problema del control de viruta. Un avance mayor contribuye a la rotura de virutas, pero también al aumento de las fuerzas de corte y el golpeteo, lo que puede afectar negativamente a los acabados superficiales. Unos avances más elevados también pueden provocar el recrecimiento del filo al mecanizar aceros bajos en carbono, por lo que unos avances elevados junto con un suministro de refrigerante interno óptimo puede ser una solución de control de viruta para el mandrinado de estas aleaciones de acero más maleables.

Conclusión

El mandrinado y torneado de agujeros profundos con herramientas de longitud extendida son operaciones comunes y esenciales de mecanizado. La realización eficaz de estos procesos requiere la evaluación del sistema de mecanizado en su conjunto para garantizar la armonía de los diversos factores implicados en minimizar las vibraciones y garantizar la calidad del producto con el fin último de alcanzar una productividad y rentabilidad máximas.