A nivel mundial la búsqueda de la reducción del consumo de potencia en el sector del mecanizado de metales no es una nueva tendencia, pero actualmente se ha convertido en un requisito técnico esencial. La creciente concienciación de la industria de sus responsabilidades de sostenibilidad y protección medioambiental ha llevado al desarrollo de procesos, materiales y maquinaria que reducen significativamente el consumo de potencia durante las operaciones de mecanizado.
Además de garantizar estrategias de mecanizado más eficientes en comparación con sus predecesores, los modernos centros de mecanizado requieren menos potencia y ofrecen un mayor rendimiento. Anteriormente un proceso típico de producción estaba dividido en dos fases, el mecanizado primario (desbaste) y el final (acabado), que se llevaban a cabo en dos máquinas diferentes. La primera máquina, de mayor potencia, extraía la mayor parte del material y después una máquina de mayor precisión daba a la pieza la forma final con el acabado superficial requerido.
Hoy en día con un sólo proceso normalmente se logra el mismo resultado en la mitad de tiempo. El mecanizado más rápido y con menores cargas da como resultado una mayor productividad con un menor consumo de potencia. Además esta reducción de potencia implica que las fuerzas que actúan sobre los principales elementos de la máquina (husillos, guías, etc.) son también menores, prolongando la duración de la herramienta y haciendo que el mecanizado sea mucho más preciso y previsible.
Las herramientas de corte juegan un papel fundamental en este tema. La necesidad total de potencia se puede moderar utilizando nuevas y avanzadas herramientas, en especial las innovadoras fresas que ofrecen excelentes posibilidades.
La Geometría del Filo de Corte
Durante el fresado, el consumo de potencia depende de varios parámetros, como el material de la pieza, la profundidad y ancho de corte, la velocidad de corte y el avance. La combinación de estos factores define la resistencia al mecanizado, y por tanto la fuerza de corte total generada durante el proceso. Hay otro factor más importante estrechamente relacionado con estas fuerzas: la geometría de la herramienta utilizada y más específicamente los ángulos de desprendimiento de la fresa en ambas direcciones, normal y axial.
El ángulo de desprendimiento influye significativamente sobre la fuerza de corte tangencial y es el principal determinante de la potencia necesaria si el resto de parámetros no varían. El desprendimiento axial tiene incidencia sobre la descomposición de las fuerzas totales en diversas componentes, y por tanto también actúa sobre la componente tangencial. Con respecto a las fresas con plaquitas intercambiables, los ángulos de corte están definidos por la topología de la cara de desprendimiento de la plaquita y la posición espacial de la misma en el cuerpo de la fresa. Veremos como la topología es un factor clave en la variación de los ángulos de desprendimiento.
A principios de los noventa, ISCAR lanzó la familia de fresas con plaquitas intercambiables con filo de corte helicoidal HELIMILL. El filo de corte de estas plaquitas, de una elevada efectividad, estaba generado por la intersección de la cara superior con forma de la plaquita (desprendimiento) y el lateral helicoidal (desahogo). Las fresas HELIMILL tienen un diseño con las superficies de desprendimiento, normal y axial, positivas en toda la longitud del filo de corte frente a las hasta entonces habituales planas o negativas. Esta geometría inmediatamente originó una significativa reducción del consumo de potencia, garantizando un corte suave. Por consiguiente, el concepto HELIMILL es considerado hoy en día como el paradigma del fresado con plaquitas intercambiables, llevando la cara de desprendimiento a la primera línea.
Para aumentar el desprendimiento, el diseñador de la herramienta inclina la cara de desprendimiento con respecto a su filo de corte. Sin embargo, en esta zona hay una importante limitación, y es que esta inclinación debilita el filo de corte de la plaquita, por lo que tendría un impacto negativo sobre la resistencia. El filo helicoidal por tanto, tiene progresivas alturas medidas en las aristas adyacentes de la plaquita.
La fabricación de productos sinterizados con formas complejas no es tarea fácil, y su creación precisa importantes esfuerzos tecnológicos. Actualmente los avances en pulvimetalurgia ofrecen muchas más posibilidades de aumentar tanto la inclinación de la cara de desprendimiento como el ángulo de la hélice del filo de corte, sin perder resistencia. Por ejemplo, la plaquita H690 WNMU 0705 de Iscar (fig. 1) con la cara de desprendimiento muy inclinada y con diferencia de alturas permite un menor consumo de potencia. El creciente uso del término “muy positiva” para describir las modernas plaquitas de fresado destaca los cambios dinámicos de la topología de plaquitas intercambiables. Esto refleja que se trata de tecnología punta. Ya que la fabricación de herramientas con plaquitas de metal duro no ha agotado todos los recursos, podemos asumir que lo que hoy consideramos como “muy positivo” mañana será “normal”. La optimización de la topología lleva a una reducción adicional del consumo de potencia.
Más rápido con menos potencia
Generalmente se cree que el mecanizado a pleno rendimiento (máximo aprovechamiento de la potencia disponible) es un sistema efectivo de mejorar la productividad. El fresado de desbaste de cavidades profundas con fresas multidiente o el planeado utilizando fresas de gran diámetro a una gran profundidad axial, con una gran cantidad de extracción de material por pasada, son ejemplos típicos de este concepto. El índice de extracción de metal de estas operaciones es muy elevado, pero evidentemente necesitan mucha potencia, ya que el fresado en estas condiciones requiere unas importantes fuerzas de corte y máquinas para operaciones pesadas y bajos avances. En estos casos, la eficiencia consiste en extraer la máxima cantidad de metal posible con avances de medios a bajos.
Existe otra técnica de fresado de desbaste basada en un principio diametralmente opuesto: la combinación de una herramienta de avance muy rápido con una media/baja velocidad de corte. En este caso, el consumo de potencia cae espectacularmente sin pérdida de productividad, la fresa trabaja con avances extremadamente elevados, garantizando una eficiente extracción de metal. Esta rápida tecnología de corte poco profundo de bajo consumo energético es una buena alternativa a la lenta tecnología de grandes profundidades de corte y gran consumo energético. El fresado con grandes avances, que se puede realizar con éxito en las rápidas y modernas máquinas para aplicaciones ligeras, es una importante y sostenible alternativa al concepto tradicional de elevado consumo energético.
Las herramientas para grandes avances tienen una geometría específica (fig. 2). Iscar dispone de ellas en todas sus líneas de fresado: con plaquitas intercambiables, fresas integrales y Multi-Master (una familia de fresas modulares con cabezas intercambiables de metal duro integral). Además, ISCAR produce plaquitas que cuando montan en fresas con mango o huecas para mecanizado general, las transforma en herramientas para grandes avances. Es simplemente una manera de adaptar diferentes fresas estándar para el fresado con avances elevados sin el coste adicional de nuevos cuerpos.
Las estrategias de mecanizado alternativas desafían a las técnicas más arraigadas
El considerable aumento de posibilidades que ofrecen las modernas máquinas herramienta han propiciado nuevas estrategias de fresado que, entre muchas otras ventajas, reducen el consumo de potencia.
Un ejemplo es el torneado de piezas pesadas. En torneado la velocidad de corte tradicionalmente es por la rotación de la pieza. Si la máquina herramienta no es capaz de rotar una pieza de gran peso a la velocidad requerida, la velocidad de corte no llegará a la que se necesita. Esta limitación genera una pérdida de rendimiento de la operación. Las avanzadas máquinas multifunción actuales ofrecen una solución efectiva: torneado-fresado, un método que combina ambas operaciones, en el que una fresa mecaniza una pieza rotativa. La mayoría de las fresas de Iscar, integrales o con plaquitas intercambiables se pueden utilizar en torneado-fresado; sin embargo, el correcto posicionamiento de la fresa y los cálculos de los parámetros de corte requieren un conocimiento más profundo de las características específicas de este proceso.
El fresado de ranuras convencional empieza con el mecanizado de la pieza directamente a fresa completa. El fresado a fresa completa requiere mayores fuerzas de corte, por lo que consume más potencia. La técnica de fresado trocoidal a gran velocidad es una alternativa muy válida a la estrategia convencional de fresado de ranuras. En el fresado trocoidal, la fresa produce la ranura mediante movimientos circulares a gran velocidad con una significativa profundidad y pequeño ancho de corte. La fresa corta finas capas de material con elevadas velocidades y avances. Este productivo método reduce notablemente el consumo de potencia.
Sin lugar a dudas el fresado trocoidal es una técnica utilizada con éxito en la fabricación de piezas con ranuras complejas, como rotores de palas, propulsores, etc., especialmente si son de paredes relativamente delgadas. Recientemente Iscar ha lanzado la familia Ti-TURBO de fresas integrales ECK H7/9-CFR con una exclusiva geometría de corte con 7 ó 9 labios, paso diferencial y hélice variable (fig. 3). La aplicación principal de esta nueva familia es el fresado trocoidal de piezas de titanio con muy baja maquinabilidad.
Las nuevas estrategias de mecanizado, junto con la fresa correcta, ofrecen nuevas oportunidades de ahorro energético. La reducción del consumo de potencia es una de las condiciones fundamentales de los modernos procesos productivos. Las máquinas herramienta de última generación proporcionan a la industria del mecanizado de metal los medios adecuados para una tecnología de elevado rendimiento y eficiencia energética. La herramienta de corte sostenible no sólo corta el metal con gran productividad, también corta el consumo de potencia, un factor fundamental en el éxito de ISCAR.
