Uno de los procesos más utilizados en la fabricación de geometrías complejas es el mecanizado, por lo que es necesario recurrir a mecanizados de alto rendimiento o alta velocidad en cinco ejes continuos para cumplir con los requisitos exigidos. Este tipo de geometrías son frecuentes tanto en matrices de forja y estampación como en moldes de inyección de plástico o metal que pertenecen a los más diversos sectores industriales como el aeronáutico, automoción, juguete, etc.

Generalmente, las geometrías libres se fabrican en materiales clasificados como 'difíciles de mecanizar' debido a su alta dureza. Además, las estrictas tolerancias requeridas deben cumplirse y deben realizarse de la manera más económica posible.

Este artículo presenta una visión global del mecanizado de forma libre y aborda aspectos relacionados con las características del proceso de mecanizado del mismo.

El mecanizado de superficies libres se caracteriza por ser un proceso complejo (precisión) y costoso. Por un lado, es necesario considerar el coste del material de la pieza y, por otro, la complejidad del proceso de mecanizado. Además, no debemos perder de vista el objetivo de alcanzar la máxima productividad, especialmente desde la irrupción en el mercado del molde y la matriz de países productores de bajo costo.

Los fabricantes de este tipo de piezas incorporan a sus procesos los últimos avances tecnológicos con el objetivo de reducir los ciclos de mecanizado y mejorar la calidad del acabado superficial. En este sentido, se aplican las técnicas y tecnologías de herramientas más innovadoras y de mecanizado para conseguir el proceso más optimizado posible. Sin embargo, en la actualidad todavía existen una serie de limitaciones [1] derivadas de las limitaciones de la máquina, programación, vida útil ... etc.

Los campos de aplicación son muy diversos [2]. A continuación se citan algunos ejemplos. Las matrices de forja, por ejemplo, están hechas de aceros tratados para trabajo en caliente cuya dureza varía entre 30 y 60 HRC. No requieren valores de tolerancia muy ajustados, ni son comunes las geometrías profundas y estrechas. Sin embargo, las matrices de estampación, tradicionalmente hechas de fundición dúctil o acero altamente endurecido (AHSS), tienen valores de alrededor de 60 HRC después del revenido. La operación de mecanizado de acabado de estos materiales es especialmente crítica ya que en esta aplicación específica, el buen acabado de la pieza es un factor determinante. Son procesos que duran varias horas y en los que la elección de la herramienta de corte es de especial importancia, debiendo elegir entre herramientas de metal duro menos duraderas o herramientas más duras pero más frágiles como PCBN.

Por otro lado, los moldes para inyección de plástico o aleaciones de aluminio están hechos de acero dulce (50-55HRC). En este caso los requisitos de acabado del molde son muy exigentes ya que determinarán las condiciones de acabado de la pieza inyectada. Además, las cavidades profundas son frecuentes en este tipo de moldes, e incluso hay casos en los que la tecnología de fresado compite con la tecnología de electroerosión dada la dureza del material y la complejidad de la geometría. Otro ejemplo frecuente de este tipo de geometría son determinadas partes del sector aeronáutico. Paredes delgadas y alabeadas no regladas o descartadas no urbanizables que deben ser mecanizadas en aleaciones de titanio o níquel y cuyos requisitos de acabado son muy exigentes.

Generalmente, el mecanizado de formas libres está relacionado con materiales de alta dureza y "difíciles de mecanizar". Uno de los más comunes es el acero templado o las aleaciones a base de níquel o titanio. Son frecuentes los valores de dureza cercanos a los 55-60 HRC.

Las herramientas de plaquitas intercambiables se utilizan para operaciones de desbaste, por un lado para el mecanizado de materiales muy duros. Los insertos suelen estar hechos de carburo recubierto con AlTiN, PVD o CBN. En operaciones de semi-empaque y acabado, las herramientas de punta esférica se utilizan con insertos en diámetros altos (> 15 mm) o macizos en diámetros más pequeños. Una buena elección de la geometría de la plaquita y del rompevirutas influye positivamente en la mejora de la productividad de la operación, siendo este el principal objetivo del desbaste, la eliminación de la mayor parte del material en el menor tiempo posible. Las operaciones de acabado [4] se copian en la mayoría de los casos de la superficie. Son los radios más pequeños de la superficie los que limitan el diámetro máximo de la herramienta a utilizar.

Por otro lado, el avance tecnológico también incluye portaherramientas donde destacan desarrollos con absorción de vibraciones derivadas de las condiciones de mecanizado, la geometría a mecanizar o el voladizo de las herramientas.

El desgaste de la herramienta se controla estrictamente en el mecanizado de forma libre. Es necesario mantener la precisión requerida y un proceso descontrolado de desgaste de la herramienta puede provocar errores en la superficie a mecanizar. Se trata de procesos largos, de varias horas de mecanizado, en los que la vida de la herramienta tiene un peso importante en el coste final del proceso de mecanizado. En este sentido, los mecanismos de desgaste frecuentes en este tipo de operaciones son el desgaste de flancos (uniformemente en el tiempo), craterización, formación de aristas, astillado, deformación de aristas, rotura mecánica, etc.

Una de las características de las operaciones de mecanizado de forma libre es la ausencia de refrigeración. Se utilizan herramientas que alcanzan su máximo rendimiento en operaciones de mecanizado 'en seco'. Cuando no es posible, y es necesario el uso de refrigeración, se utilizan mezclas pulverizadas o 'MQL'. Otra variante es el uso de refrigeración interna con aire comprimido, muy conveniente en el mecanizado, por ejemplo, de cavidades profundas. La principal ventaja de este tipo de refrigeración es la ausencia de una posible fisuración térmica derivada del uso de refrigerantes en el mecanizado de aceros templados.

Las herramientas son a menudo uno de los elementos esenciales en el mecanizado de formas complejas. El proceso de diseño de un utillaje que permita mecanizar la pieza en un solo haz y que además amortigüe las posibles vibraciones derivadas del proceso son dos de los objetivos de estos elementos auxiliares y son determinantes en el proceso de mecanizado.

Las estrategias de mecanizado para superficies complejas de elementos como moldes de inyección son el resultado de numerosos estudios [5,6] ya que una mejora en su rendimiento se traduce en ahorros considerables en tiempo, acabados y coste de la operación. , mientras que un error puede llevar al descarte de la pieza de alto valor añadido en la fase final de su fabricación.

Algunas recomendaciones generales a tener en cuenta a la hora de programar trayectorias son las siguientes:

Las estrategias de mecanizado comúnmente utilizadas son estrategias de alto avance para operaciones de desbaste tales como: mecanizado tipo 'inmersión', mecanizado helicoidal o mecanizado trocoidal.

A su vez, la definición de estrategias de mecanizado para este tipo de piezas geométricas de 'forma libre' representa un desafío en constante crecimiento para los desarrolladores de software CAD / CAM / CAE en el camino de ofrecer estrategias de mecanizado óptimas en el sector de matrices y moldes [10]. Para solucionar los problemas que surgen en estas geometrías, y ofrecer soluciones más productivas para la industria, las empresas de software CAD / CAM han optimizado sus productos para acercarse a las necesidades de estos sectores.

Entre ellos, cabe destacar las novedades de la versión 4.0 del software Tebis CAD / CAM, que ofrece un diseño más visual e intuitivo para el operador. En lo que respecta a las losas, la estrategia de mecanizado está totalmente adaptada a la geometría CAD, diseñándola con grandes cantos de paso axial (ap) y pequeña magnitud de paso radial (ae); lo que se traduce en una alta tasa de arranque de viruta combinada con un mejor rendimiento de la herramienta y la máquina.

SolidCAM ha implementado tres módulos orientados a ofrecer una solución productiva para el mecanizado de moldes: iMachinning 3D, HSM y 5 ejes simultáneos. IMachining integra el análisis de colisiones entre el portaherramientas y los excesos que tiene la pieza durante cada corte, a su vez ofrece las condiciones óptimas de mecanizado, en función de la máquina, la herramienta y las propiedades del material. El módulo HSM evita ángulos agudos en las estrategias de mecanizado y minimiza los movimientos inactivos de la herramienta.

Mastercam, con el objetivo de mejorar la productividad de la fabricación de moldes, cuenta con un módulo denominado OptiRough que monitoriza constantemente las entradas de herramienta y ajusta las trayectorias de mecanizado para mantener una carga constante entre pieza y herramienta.

Finalmente, también es importante mencionar que existen numerosas investigaciones en torno a este tipo de superficies de 'forma libre'; los problemas que presentan las superficies regladas no urbanizables y no regladas, y la aproximación de las mismas para poder realizar operaciones de fresado de flanco. El centro de investigación de matemáticas aplicadas BCAM, apoyado por el Gobierno Vasco, trabaja en modelos matemáticos para el cálculo de aproximaciones, con el objetivo de minimizar el error en el mecanizado a la hora de trabajar contra superficies de forma libre. [9]

Las necesidades de dureza y los requisitos de acabado asociados a superficies complejas han llevado al desarrollo tecnológico de operaciones complementarias al proceso de mecanizado [7]. Es el caso del revenido por láser para realizar un revenido selectivo de zonas de la superficie estratégicamente seleccionadas. Otro ejemplo de operación complementaria es el superacabado de operaciones complejas mediante bruñido. Es posible reducir los requisitos de las operaciones de mecanizado de acabado en pos de una operación de acabado final mediante pulido.

El templado por láser es un proceso mediante el cual la dureza del material aumenta local y superficialmente. El espesor templado suele estar entre 0,1 y 1,5 mm o incluso superar los 2,5 mm en algunos materiales. En general, este proceso se centra en aceros al carbono y fundición.

Un láser actúa sobre la superficie a templar, llevando el material a una temperatura cercana a la temperatura de fusión, pero sin alcanzarla; de esta forma, se austenitiza. Una vez que el láser sale de dicha superficie, a su paso por la zona de trabajo, el material comienza a enfriarse rápidamente, proceso por el cual se produce un revenido, creando una zona de martensita cuya dureza es muy elevada.

Tanto en la forja como en la estampación, los moldes requieren zonas específicas de mayor dureza para resistir los esfuerzos a los que están sometidos. Siendo este proceso el idóneo para cumplir con estos requisitos sin necesidad de someter toda la pieza a un proceso de revenido.

Por otro lado, es posible que las zonas a templar, aunque muy discretas y definidas en el conjunto, sean amplias. Sin embargo, en general, no se necesitan grandes densidades de energía para este proceso, por lo que el rayo láser puede tener un tamaño considerable. Incluso puede ser el caso de utilizar conjuntos de ópticas tipo escáner (óptica de barrido) para barrer grandes superficies, moviendo el rayo láser muy rápidamente, generando un área con una densidad de energía uniforme.

La empresa ERLAS GMBH fabrica máquinas de endurecimiento por láser desde principios de 2000. En 2007, el Centro de Fabricación Avanzada de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao abrió una línea de investigación para este proceso, que se mantiene hasta la fecha.

Las superficies complejas se pueden encontrar fácilmente en la industria aeroespacial, automotriz y de moldes y matrices. El mecanizado de superficies complejas juega un papel importante en el proceso de comercialización de nuevos productos. Una amplia variedad de productos, desde matrices para paneles de carrocería hasta álabes de turbinas, confían en esta tecnología. El mecanizado de este tipo de superficie puede implicar millones de ciclos de posicionamiento de herramientas y puede requerir más de tres semanas de mecanizado continuo. Las superficies complejas generalmente se mecanizan en máquinas de ejes múltiples copiando con fresas de punta esférica y luego se pulen cuando es necesario un acabado de espejo. El proceso de acabado y pulido a mano representa un porcentaje muy alto del tiempo total de fabricación. En esta línea, el bruñido por bola se presenta como un proceso automático que puede ayudar a mejorar el acabado superficial de este tipo de componente. De esta forma, aunque en algunos casos no es posible eliminar por completo el pulido a mano y el ajuste final, se pueden minimizar las horas de trabajo manual haciéndolo de forma automática. La Escuela de Bilbao ha trabajado en esta línea en los últimos 5 años. Hay muchas empresas interesadas en esta tecnología.

Se ha realizado. Las pruebas se han realizado en un centro de mecanizado de tres ejes sobre un acero estándar AISI 1045 con una dureza aproximada de 190 HBN. El mecanizado anterior se ha realizado con una fresa de bolas de 10 mm de diámetro. Posteriormente se ha realizado un proceso de bruñido, obteniendo una superficie final de alta calidad, como se muestra en la imagen.

[1] G. Urbikain, O. Pereira, R. Polvorosa, E. Artetxe, LN López de Lacalle, Más complejo, más rápido, más resistente, más preciso, más .... 2015 IMHE, Vol.418, ISSN: 0210 -1777, págs.24, 31

[2] LN López de Lacalle, A. Lamikiz, Mecanizado de superficies esculpidas, Mecanizado, págs. 225-248.

[3] http://www.sandvik.coromant.com

[4] LN López de Lacalle, A. Lamikiz, JA Sánchez, JL Arana, Mejora del acabado superficial en fresado de alta velocidad de matrices de estampación. 2002. Revista de tecnología de procesamiento de materiales, vol. 123-2, págs. 292-302.

[5] A. Lamikiz, LN López de Lacalle, JA Sánchez y U. Bravo, Cálculo de los coeficientes de corte específicos y aspectos geométricos en el mecanizado de superficies esculpidas, Ciencia y Tecnología del Mecanizado. 2005. Vol. 9-3, págs. 411-436.

[6] X. Zhang, J. Zhang, B. Pang, W. Zhao, Un método de predicción preciso de las fuerzas de corte en el fresado de flanco de 5 ejes de una superficie esculpida. 2016. Revista Internacional de Máquinas Herramientas y Fabricación, vol. 104, págs. 26-36.

[7] A. Rodríguez, O. Pereira, E. Ukar, LN López de Lacalle, Acabado superficial: sobre el acabado de huella .. 2016. Técnica y Tecnología, Vol.38, ISSN: 2014-8305, pp. 30-41

[9] P.Bo, M. Barton, D. Plakhotnik, H. Pottmann, Hacia un mecanizado CNC de flanco de 5 ejes eficiente de superficies de forma libre mediante el ajuste de envolventes de superficies de revolución. 2016. Diseño asistido por computadora CAD, vol. 79, págs. 1-11.

[10] LN López de Lacalle, A. Lamikiz, MA Salgado, S. Herranz, A. Rivero, Planificación de procesos para el mecanizado fiable de moldes a alta velocidad. 2002. Revista internacional de investigación sobre producción, vol. 40-12, págs.2789-2809

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