Portaherramientas: diseñado para la velocidad

Cada vez es más difícil recordar los días en que el mecanizado se realizaba a bajas velocidades con poca profundidad de corte. Hoy en día, los talleres mecánicos de todo tipo, no sólo los que trabajan con aleaciones de alta tecnología en centros de mecanizado autónomos de ejes múltiples, se centran en la velocidad.

Esto no es sólo velocidad por la velocidad. El objetivo es producir más piezas buenas, de forma más rentable y más segura. El mecanizado de alta velocidad (HSM) es un medio para lograr este objetivo al reducir las fuerzas de corte, aumentar las tasas de eliminación de metal, mejorar la disipación de calor e impartir mejores acabados superficiales.

Manufacturing Engineering entrevistó a varios expertos de la industria para conocer sus opiniones sobre HSM, centrándose especialmente en el soporte de herramientas. Una cosa quedó clara en nuestra discusión: la evolución de alta velocidad continuará y el portaherramientas desempeñará un papel crucial.

Muchas tecnologías deben combinarse para obtener el máximo beneficio de HSM. “Cuando pasa a una operación HSM, su mentalidad cambia rápidamente”, dijo Chris Herdman, ingeniero de soporte técnico de campo de Rego-Fix Tool Corp., Whitestown, Indiana. “Hay que ser consciente de la interconexión del centro de mecanizado, la programación y Husillos de alta velocidad, herramientas de corte avanzadas, equilibrado y portaherramientas de alto rendimiento para aprovechar al máximo HSM”.

La industria metalúrgica adoptó por primera vez el HSM en la década de 1990. El término "alta velocidad" significa cosas diferentes para diferentes talleres.

"El mecanizado de alta velocidad es una estrategia de altas rpm y alta velocidad de avance, pero con una profundidad de corte baja", dijo Brendt Holden, presidente de Haimer USA LLC, Villa Park, Illinois. "Incluso con una profundidad de corte más baja, a estas velocidades y avances más altos, la tasa de eliminación de material en realidad aumenta, que es el objetivo final, ya que permite a los talleres fabricar piezas más rápido".

Aunque no existe una línea de demarcación de rpm específica, nuestros expertos coincidieron en que las velocidades del husillo en el rango de 15 000 a 30 000 rpm son definitivamente de alta velocidad. De hecho, Herdman de Rego-Fix tomó nota de los portaherramientas que operan en el rango de 120.000 rpm en aplicaciones médicas y electrónicas especializadas. "Lo que ahora vemos como alta velocidad son máquinas menos rígidas, de cuatro y cinco ejes, que operan a 12.000 rpm o más", dijo Herdman. "Las aplicaciones son corte radial bajo, alto número de dientes, alta velocidad de avance y la mayoría de ellas utilizan algún tipo de software de fresado dinámico".

Matt Goss, ingeniero de aplicaciones/desarrollo de proyectos de Greenleaf Corp., Saegertown, Pensilvania, dijo que su empresa considera que la alta velocidad es una combinación de dos factores: alta velocidad del husillo y alta velocidad de avance. "Esto se traduce en una alta velocidad de alimentación (ipm), lo que ayuda no sólo a maximizar la cantidad de material eliminado, sino que también reduce los tiempos de ciclo".

Preben Hansen, presidente de Platinum Tooling Technologies Inc., Prospect Heights, Illinois, dijo que a medida que las velocidades del husillo aumentan por encima de las 20.000 rpm, los talleres comienzan a abordar el trabajo de manera un poco diferente. "Es posible que no se tome tanto material durante cada revolución de la herramienta, pero las velocidades de avance suelen ser más altas", dijo.

A medida que aumenta la velocidad, también aumenta la posibilidad de que se produzcan problemas graves de equilibrio y precisión. Un portaherramientas perfectamente equilibrado en el husillo es esencial, según Dan Doiron, gerente de productos de fresado de Emuge Corp., West Boylston, Massachusetts. “Incluso las fluctuaciones menores reducirán la repetibilidad, reducirán la vida útil de la herramienta y posiblemente dañarán las piezas de trabajo. Con tiempo y dinero invertidos en cada componente, el deslizamiento o extracción de una herramienta de corte como resultado del uso del portaherramientas incorrecto no es una opción”.

Los mandriles convencionales (como los portapinzas ER y los planos Weldon) se pueden llevar fácilmente más allá de sus límites y, por lo general, no se puede contar con que funcionen de manera confiable en el entorno HSM. “Las pinzas ER tienen una fuerza de sujeción y una desviación débiles, y los mandriles de bloqueo lateral tienen una desviación y una amortiguación débiles en aplicaciones de alta velocidad”, dijo Doiron.

A cualquier velocidad, el husillo está sometido a una fuerza centrífuga. A alta velocidad, la fuerza centrífuga es suficiente para hacer que el orificio del husillo crezca ligeramente. "Esta expansión puede atraer herramientas de cono pronunciado (CAT, BT, SK, etc.) hacia el husillo, provocando un cambio en la dimensión del eje Z", dijo Holden de Haimer. "Las herramientas HSK, por el contrario, crecen con el husillo a altas revoluciones, manteniendo el contacto con la cara y eliminando el movimiento del eje Z".

Herdman de Rego-Fix observó que cualquier vibración rápidamente aumenta a medida que las herramientas giran más rápido. "La mayoría de las aplicaciones de HSM requieren mantenerse alejados de las fuertes reducciones", dijo. "Por esta razón, los portaherramientas estilo HSK y Capto serán las mejores opciones".

Cuando nos adentramos en los cortadores de cerámica más nuevos y exóticos que funcionan a velocidades extremadamente altas, el calor se convierte en un problema. El calor generado en el corte puede transmitirse al portaherramientas, lo que puede comprometer la integridad de la sujeción. "Esto puede provocar vibraciones durante el proceso de mecanizado y, finalmente, la extracción de la herramienta", dijo Goss de Greenleaf.

Otro desafío relacionado con HSM es mantener la vida útil del husillo, según Holden. "Los husillos no son muy grandes y la preocupación son los efectos del desequilibrio en los cojinetes del husillo", dijo. "Esto ha llevado al desarrollo de portaherramientas preequilibrados sin piezas móviles ni accesorios añadidos".

En el mundo del roscado, existen desafíos específicos para el soporte de herramientas cuando se trata de operaciones de alta velocidad, según Kyle Matsumoto, ingeniero de producto II de OSG USA Inc., St. Charles, Illinois. "La sincronización es clave en la operación de roscado y los errores pueden ser muy problemáticos en términos de calidad y vida útil de la herramienta", dijo Matsumoto. Los errores ocurren en dos puntos: el comienzo del ciclo cuando el grifo comienza a girar y en el punto en el que el grifo pasa del movimiento de avance a la retracción. “Si no se permite que el macho alcance las rpm objetivo antes de tocar el material, y/o si comienza a retraerse antes de alcanzar las rpm objetivo, las cargas de empuje adicionales producidas pueden reducir la calidad de la rosca y disminuir la vida útil de la herramienta, o incluso romper el herramienta”, dijo Matsumoto.

En situaciones en las que una pieza se produce a partir de material sólido y tiene perfiles y ranuras complejos, HSM puede ofrecer un desbaste productivo y con baja carga mediante fresado trocoidal. Esta técnica crea una ranura más ancha que el diámetro de corte de la herramienta en una trayectoria de herramienta programada que mantiene una profundidad de corte radial baja y una profundidad de corte axial alta, utilizando toda la longitud del filo. Esto da forma a la pieza muy cerca de su forma final.

"Para el fresado trocoidal, debido a las herramientas largas (hasta 5×D) y al número de canales (hasta siete) en la fresa, la fuerza de sujeción es extremadamente importante", dijo Doiron de Emuge. Advirtió contra la dependencia total de los portaherramientas de ajuste por fricción en aplicaciones trocoidales. "Un alto par de agarre por sí solo no garantiza la protección contra la extracción", afirmó. "Las increíbles fuerzas de corte generadas por husillos de máquinas más rápidos y estrategias agresivas de trayectorias de herramientas han expuesto las limitaciones incluso de los mejores sistemas de sujeción por ajuste por fricción".

Holden amplió este pensamiento. "El desafío ha sido asegurar la herramienta de corte en el soporte con sistemas de ajuste por fricción (mandriles de fresado por contracción, mandriles de pinza de alta precisión, mandriles hidráulicos, sistemas de pinzas de ajuste a presión, etc.)", afirmó. “Sin un ajuste de forma, la herramienta de corte puede girar en el portaherramientas y finalmente salirse del mandril. Ha habido casos en los que el operador no se dio cuenta de que la herramienta se estaba saliendo hasta que se rompió prematuramente. Esto llevó a algunos usuarios a retroceder y volver al método de hace 100 años de asegurar una herramienta mediante un portafresa de bloqueo lateral, que por supuesto tiene una repetibilidad de equilibrio terrible y un descentramiento deficiente”.

Las características clave de un soporte de alto rendimiento para HSM son el equilibrio, la rigidez, la fuerza de sujeción y la precisión de descentramiento. Es importante hacer coincidir el portaherramientas con la aplicación. Las aplicaciones de desbaste normalmente se benefician de un portaherramientas con la mayor fuerza de sujeción. En operaciones de acabado, donde el objetivo son tolerancias precisas y acabados superficiales finos, la primera opción serían los portaherramientas con un descentramiento mínimo y una repetibilidad máxima.

Todos nuestros expertos recomiendan un portaherramientas de alto rendimiento para aplicaciones HSM y advierten contra el intento de ahorrar unos pocos dólares en el portaherramientas. No tiene sentido económico obtener ventajas de productividad con HSM si se desperdicia en una menor vida útil de la herramienta, cambios lentos o pérdidas de calidad, dijeron.

"El mayor retorno de la inversión al comprar un portaherramientas de alto rendimiento es, sin duda, una mayor vida útil de la herramienta", dijo Doiron de Emuge. "Tenemos clientes que vieron una vida útil de la herramienta cinco veces mayor simplemente cambiando a nuestro portaherramientas de alto rendimiento, sin cambiar las velocidades o avances que estaban ejecutando".

Los portaherramientas de alto rendimiento citados eran mandriles mecánicos, termorretráctiles o hidráulicos. Cada uno tiene sus ventajas y limitaciones en aplicaciones específicas. El ajuste por contracción utiliza un orificio calentado que se expande para aceptar el cortador y luego se sujeta a medida que se enfría. Los portaherramientas hidráulicos utilizan presión hidráulica para accionar una membrana u otro dispositivo para agarrar la herramienta.

"El ajuste por contracción es bastante popular y tiene muy buen comportamiento de descentramiento y equilibrio, pero no destaca en la amortiguación de vibraciones, que muy a menudo está limitada por la velocidad máxima de avance", dijo Doiron. “Durante los últimos años se han desarrollado mandriles hidráulicos mejorados y su ventaja es una buena amortiguación de las vibraciones. Pero su limitación es la fuerza de sujeción y la ausencia de dispositivos de seguridad extraíbles”.

“El método preferido para sujetar herramientas para HSM será un portaherramientas de precisión que pueda mantener el descentramiento de la herramienta dentro de 0,0001" [0,00254 mm] o menos medido en hasta 3×D”, dijo Goss de Greenleaf. Las estrechas tolerancias de descentramiento conducen a un mejor rendimiento general de la herramienta, repetibilidad y una vida útil más predecible”.

"Asegúrese de comprar portaherramientas preequilibrados y de que una vez que los ensamble, todavía esté equilibrado como conjunto", dijo Holden de Haimer. “Intente encontrar un sistema con la menor cantidad de piezas móviles posible. Si no lo hace, reducirá la vida útil de la herramienta y tendrá un acabado superficial deficiente. O bien, el husillo explotará rápidamente y la máquina tendrá tiempo de inactividad y un alto costo de reemplazo. Recomendamos obtener una máquina equilibradora interna para confirmar que sus conjuntos estén equilibrados antes de colocarlos en la máquina. Para aplicaciones de conicidad pronunciada (CAT, BT, SK), recomendamos la compra de pernos de tracción de alta calidad que tengan un piloto para guiar el perno de tracción hacia el centro del portaherramientas para lograr el mejor equilibrio”.

Para aplicaciones de roscado, Matsumoto de OSG recomendó el soporte SynchroMaster para absorber las cargas de empuje de operaciones de mayor velocidad. OSG afirma que el soporte "turboalimenta" el rendimiento del roscado en máquinas CNC con husillos sincrónicos al compensar los errores de sincronización durante el proceso de roscado. El SynchroMaster tiene un flotador de compresión de microtensión integral que absorbe cargas en la dirección de empuje y reduce significativamente las fuerzas de empuje durante la rotación inversa. El resultado es una vida útil más larga de la herramienta, una profundidad de roscado constante y una calidad de rosca mejorada. La vida útil corta de la herramienta para machos de roscar en espiral para chaflanes se extiende de 231 a 1000 orificios, un factor de 5 veces.

Doiron citó el portabrocas/milímetro FPC rígido de Emuge con tres toneladas de fuerza de tracción para sujetar una herramienta de forma segura. Según Emuge, el FPC patentado tiene un engranaje helicoidal de 1:16 que tira de un collar especial con una relación extremadamente alta hasta formar un cono plano en ángulo, absorbiendo prácticamente todas las vibraciones. El accionamiento mecánico se acciona con una llave hexagonal, lo que permite cambios rápidos de herramienta. Las fuerzas de sujeción son extremadamente altas e independientes de las tolerancias del eje de la herramienta. Con una longitud de herramienta 3×D, la variación en la concentricidad es inferior a 3 µm, lo que prolonga la vida útil de la herramienta y mejora los acabados superficiales. Todos los modelos están equilibrados de fábrica a G2,5, 20.000 rpm. Según Emuge, en una comparación de velocidad con cuatro diseños de mandril de la competencia, el mandril FPC permitió aumentar la velocidad de avance en un 30 por ciento sin pérdida de rendimiento.

Herdman recomienda la serie de soportes, pinzas y sistemas de prensado automático o manual Rego-Fix powRgrip. La pinza se presiona en el soporte con hasta nueve toneladas de presión. Rego-Fix afirma que los cambios de herramienta se pueden lograr en 10 segundos con powRgrip y que el descentramiento total indicado es inferior a 3 µm en profundidades de corte de hasta tres veces el diámetro de la herramienta, lo que garantiza su rendimiento durante cinco años y 20 000 cambios de herramienta. Para aplicaciones que requieren medidas adicionales de retención del cortador, Rego-Fix ofrece el sistema antiextracción secuRgrip, que bloquea la herramienta al portaherramientas.

Holden citó la solución de “fricción y ajuste de forma” de Haimer, llamada Safe-Lock. El sistema combina la precisión de un mandril hidráulico o un collarín de alta precisión con ajuste por contracción, con una forma en la parte posterior del orificio para acoplarse con las ranuras del vástago de una herramienta de corte. La empresa afirma que con el sistema Safe-Lock no es posible retirar la herramienta. Todos los portaherramientas Haimer vienen preequilibrados y los mandriles de ajuste por contracción vienen perforados y roscados para acomodar tornillos de equilibrio que se pueden agregar para corregir el posible desequilibrio del conjunto completo del portaherramientas.

Goss dijo que Greenleaf anunció recientemente XSYTIN-360, una nueva línea de fresas de ranurar de cerámica sólida de alto rendimiento que ofrecen aumentos significativos en la productividad al permitir a los usuarios aplicar cargas de viruta similares a las fresas de ranurar de carburo sólido con las velocidades más altas comunes al mecanizado de cerámica. . Las nuevas fresas cerámicas ofrecen una productividad 10 veces mayor y un importante ahorro de costes, según la empresa. Greenleaf también lanzó su línea de portaherramientas de cambio rápido, diseñados para maximizar la vida útil de la herramienta en aplicaciones de torneado de carburo y cerámica. Los soportes tienen boquillas de refrigerante de alta presión para ayudar en la eliminación de virutas y mejorar la vida útil de la herramienta. Los insertos positivos con fondo en V utilizan nidos reemplazables. Las plaquitas negativas utilizan los ángulos de desprendimiento laterales para ofrecer una mejor vida útil de la herramienta con las plaquitas cerámicas Greenleaf.

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