Asociación Española de Ingeniería Mecánica

XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA

Torno-fresado ortogonal como proceso alternativo al torneado a punta de cuchilla A. Fernández, L.N. López de Lacalle, U.J. Ugalde Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad del País Vasco [email protected]

Resumen En el presente trabajo se evalúa las soluciones que en los últimos años el sector de máquina herramienta ha ofrecido a la industria como respuesta a las nuevas necesidades de producción a las que se enfrenta. Se profundiza en una nueva técnica de mecanizado, denominada torno-fresado ortogonal, estudiando los parámetros que afecta al proceso. Para valorar la técnica a evaluar se ha realizado un estudio experimental de la evolución del desgaste de una herramienta de en función del volumen de material arrancado. De este modo, se compara una operación de torneado con herramienta convencional con una operación de torno-fresado ortogonal realizada con una fresa de placas intercambiables. Para que la comparación sea directa, la placa empleada es de la misma geometría y calidad en ambas estrategias de corte. Los parámetros de corte, velocidad de corte y profundidad de pasada, impuestos en los dos procesos también serán idénticos

INTRODUCCIÓN El sector industrial dedicado al diseño y fabricación de máquina herramienta está orientando la concepción de sus nuevos productos hacia máquinas que sean capaces de realizar el máximo número de operaciones en una pieza. De esta manera se evita el tener que soltar la pieza y volverla a amarrar en la siguiente posición de mecanizado o incluso tenerla que trasladar a otra máquina con capacidad para realizar la operación solicitada. Este nuevo concepto de máquina herramienta se define mediante el término “Máquina Multi-Tasking”. El empleo de las máquinas multi-tasking ofrece ventajas desde un punto de vista económico y de fabricación. Económicamente la inversión realizada en la adquisición de una máquina multi-tasking se recupera rápidamente ya que la producción se agiliza al realizar un mayor número de operaciones sin tener que soltar la pieza y sobre todo la mejora de tiempos se refleja en la reducción o ausencia, de transporte de pieza para realizar operaciones en otras máquinas. Desde el punto de vista de la fabricación, la obtención de las tolerancias requeridas en el diseño de la pieza son más sencillas de logra, ya que se evita soltar la pieza, permitiendo de esta manera realizar un mayor número de operaciones con una única referencias de mecanizado. En lo que concierne a la precisión en el mecanizado será la proporcionada por una única máquina y no por un conjunto de máquinas con diversas precisiones. De este modo, se define una máquina multitasking como aquella máquina que puede tornear y fresar formas prismáticas [1]. Para ello se puede partir de la estructura de un torno de bancada inclinada añadiendo tres aspectos: eje Y perpendicular al plano X-Z, control del eje C del torno y herramientas motorizadas en torreta o husillo rotativo con capacidad de bloquear posición, con la finalidad de adaptar un porta de torneado. Si no se cumplen algunas de estas características se hablaría de centro de torneado, pero no de máquina multitasking. También es posible partir de una estructura de fresadora con 4 ejes, tres ejes lineales y uno rotativo, donde se reemplaza la bancada por un cabezal de torneado. Si el eje rotativo no puede hacer girar un plato a velocidad de torno o suministrar par suficiente, sería entonces un centro de mecanizado. Se señalan a continuación los principales avances que se han producido en esta tecnología en los últimos años y que han protagonizado la principal evolución del sector de máquina herramienta. En breve indicar:

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Año 1982: la empresa WFL lanza la máquina WNC 500S MILLTURN, que consiste en un torno de 4 ejes y la posibilidad de fresar en 5 ejes. Esta máquina da lugar a una familia en la que destaca la WNC 700S presentada en la Metav de 1984.

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Año 1999: Mazak abre la puerta a expansión de la tecnología con la introducción de la máquina INTEGREX en la EMO.

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Año 2000: la empresa Nakamura Tome lanza el Super Multi-Tasking Machine "STW-40".

Fig. 1. Super Multi-Tasking Machine STW-40

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Año 2004: Mori Seiki® inicia el desarrollo de la serie NT, así como Stama de sus máquinas basadas en centro verticales.

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Año 2005: los tornos verticales introducen mayor funcionalidad a sus husillos de fresado, surgiendo la idea general de torno-fresador.

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Año 2007: GMTK® diseña su concepto revolucionario de torno vertical más centro de fresado, con un diseño basado en los requisitos del cliente, según la filosofía de las empresas Mori Seiki® y Mazak®, que ya se habían desvinculado de clichés tradicionales. La filosofía de GMTK® resume el nuevo paradigma: “El fin sobre los medios”, es decir, la pieza se resuelve con una máquina multifuncional.

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Año 2008: Comienza la revolución Multistaking 2.0, donde máquinas y herramientas se diseñan según requisitos del usuario, apareciendo conceptos nuevos de Sandvik como las multitorretas, y los cabezales de fresado aumentan en potencia y revoluciones

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Año 2009: las empresas españolas GMTK®, Etxetar®, Ibarmia®, Danobat®, CMZ®, etc se suman a la revolución del multitasking, recabando apoyos de la UPV/EHU, y los centros Ideko, Fatronik, Tekniker, Centre CIM y otros.

a)

b)

c)

Fig. 2. a) Operación de Torno-Fresado, b) Cabezal de D’Andrea®, c) Spinning Tool de Mori Seiki® El concepto de multitarea y el aumento de ejes interpolados en las nuevas máquinas ha generado nuevas posibilidades de mecanizado, como se pueden ver en la Fig. (2). El torno-fresado, proceso en el que se combina

Desgaste de herramienta en torno-fresado ortogonal

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la rotación de la pieza de trabajo con la rotación y avance de la herramienta de corte. El mandrinado con dispositivos especiales, como es el caso de cabezales tipo D’Andrea®. Un nuevo concepto de herramienta que fresa mientras la pieza gira, como el spinning tool de Mori Seiki® TORNO-FRESADO El torno-fresado es un concepto relativamente nuevo dentro de las tecnologías de fabricación en máquinas multitasking de 4 ó 5 ejes. Para realizar esta operación es necesario dotar de una rotación simultanea tanto a la pieza como a la herramienta. Este proceso, en función de la posición espacial de los ejes de rotación, se puede clasificar como tornofresado coaxial u ortogonal [2]. Se denomina coaxial cuando el eje de rotación de la herramienta y el de la pieza son paralelos entre sí. Esta opción es adecuada para el mecanizado tanto de exteriores como de interiores cuando se trata de una pieza de revolución. Para la ejecución de esta técnica la rotación de la pieza de trabajo es relativamente lenta en comparación con la velocidad de rotación de la herramienta. Esto conlleva una serie de ventajas como que debido a la cinemática del proceso se producen virutas cortas, incluso cuando se trata de mecanizar materiales dúctiles. En el caso de mecanizar piezas cilíndricas muy esbeltas, la velocidad de rotación baja evita excitar la pieza a altas frecuencias como en el torneado convencional. En cambio, el proceso se denomina ortogonal cuando el eje de giro de la herramienta es perpendicular al de la pieza, siendo aplicable únicamente para el mecanizado de exteriores. Esta técnica proporciona una serie de ventajas:

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Se obtienen buenos resultados cuando se mecanizan piezas de pared delgada, ya que los esfuerzos se corte son menores que en el torneado convencional.

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Posibilidad de emplear herramientas de menor voladizo, lo que confiere al proceso una mayor estabilidad cuando la tasa de arranque de material es grande.

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Si se dota a la herramienta de una alta velocidad de rotación y se emplean los parámetros geométricos adecuados, es posible obtener una calidad superficial muy buena, comparable incluso con el rectificado [3].

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La evacuación de la viruta es más sencilla, lo que mejora la refrigeración de la zona de corte evitando así los problemas derivados del exceso de temperatura [4].

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Al rotar la pieza de trabajo a baja velocidad es difícil que se experimenten problemas en el mecanizado generados por fuerzas centrífugas.

Otra variante del torno-fresado ortogonal es la posibilidad de situar la fresa de manera tangencial a la pieza. Esta técnica ha inspirado investigaciones enfocadas a analizar y obtener los parámetros de mecanizado que optimicen la rugosidad superficial de la pieza de trabajo. En este caso las herramientas empleadas son fresas de acabado, herramientas integrales de metal duro. [5, 6] Fundamentos teóricos del torno-fresado ortogonal A la hora de definir la operación de torno-fresado ortogonal se parte de las condiciones que impone el proceso de fresado, de manera que se calcula la velocidad de giro, Ec. (1) y la velocidad de avance de la herramienta, Ec. (2), como si de un proceso convencional de fresado se tratase. La herramienta no es capaz de moverse alrededor de la pieza, por lo que la velocidad de avance radial lo proporciona la pieza a mecanizar. El cálculo de la velocidad de rotación de la pieza de trabajo se obtiene a partir de las dos relaciones anteriores y del diámetro de la pieza, Ec. (3).

N 

Vc  1000 ØT  

(1)

Donde N (rpm) es la velocidad de rotación de la fresa, Vc(m/min) es la velocidad de corte y ØT(mm) es el diámetro total de la herramienta de corte.

Vf  Zn  fz  N

(2)

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Donde Vf(mm/min) es la velocidad de avance en fresado convencional, Zn es el número de filos de la herramienta empleada y fz(mm/rev) es el avance por diente.

 

V f  360

(3)

ØP  

Donde  (grados/min), es la velocidad de giro de la pieza y Øp es el diámetro de la pieza. A la hora de programar la operación, puede resultar más interesente disponer de la velocidad de rotación de la pieza en revoluciones por minuto, como se expresa en la Ec. (4).



Vf

(4)

ØP  

Para el cálculo de la velocidad de avance axial, es necesario determinar lo que en fresado se denomina profundidad de pasada radial, ae(mm). En la Ec. (5) se muestra la expresión para el cálculo de la velocidad de avance axial.

Va  ae    a e 

Vf ØP  

(4)

Compensación en eje el Y de la herramienta La operación de torno-fresado ortogonal genera en la superficie de la pieza una forma en media luna característica, provocado por la geometría de la herramienta empleada y por la acción combinada de la rotación de la herramienta de corte y de la pieza. En la dirección de avance axial, también se genera una forma geométrica peculiar, dependiente en este caso, de la geometría de la herramienta y del valor de la compensación en el eje Y de la herramienta, a la que se denominará Ew(mm). En las Fig. (3) y Fig. (4), se reflejan los casos extremos. Uno de los dos casos extremos es cuando Ew=0% Øef , siendo Øef (mm) el diámetro efectivo de la herramienta de corte, Tabla (1). Este posicionamiento espacial de la herramienta genera una superficie convexa en la pieza mecanizada, como se aprecia en la Fig. (3), El empleo de esta posición está recomendado para las operaciones de acabado de ranuras, para generar el acuerdo entre la pared y el fondo de la ranura. La forma en la que se realiza el corte, es similar a una operación de torneado en ramping, en la que los insertos de corte mecanizan con la parte inferior, generándose altos esfuerzos axiales.

Fig. 3. Caso extremo de corte Ew=0% Øef .

El otro caso extremo se obtiene cuando Ew=50% Øef . Este posicionamiento espacial de la herramienta genera una superficie cóncava, Fig. (4). Con este desplazamiento se evita el efecto del corte en la parte inferior de los filos, reduciendo de esta manera los esfuerzos axiales generados en el mecanizado. Este posicionamiento permite evitar el peligro de que se produzca interferencia entre el centro de la herramienta y la pieza, independientemente de la profundidad de pasada (ap).

Desgaste de herramienta en torno-fresado ortogonal

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Fig. 4. Caso extremo de corte Ew=50% Øef.

MONTAJE EXPERIMENTAL La ejecución de los ensayos se desarrolla en un torno de bancada inclinada de 4 ejes, eje Y perpendicular al plano X-Z, para realizar el posicionamiento de las herramientas y eje C para la rotación de la pieza. El torno es de la marca CMZ® modelo TC25BTY, como se observa en la Fig. (5), con una velocidad máxima de giro tanto de la pieza como de la herramienta motorizada de 4000rpm. Dispone de un control numérico FANUC® 31iT HVi Para la realización de los ensayos se partió de una pieza cilíndrica de AISI 1045 con un diámetro de 150mm y una longitud de 450mm de longitud. En la Fig. (5) se muestran las herramientas empleadas. Para la operación de torneado convencional se usó un cuadradillo a derechas de la marca Sandvik® referencia PRGCR 2525M2. La operación de torno-fresado se desarrolló con una fresa de la marca Sandvik®, perteneciente a la familia de fresas Coromill®200, de referencia R200-038Q22-12M, un filo de corte compuesto por plaquitas intercambiables. La elección de esta herramienta se vio motivada por la necesidad de emplear la misma referencia de plaquita intercambiable en las dos operaciones de mecanizado, de manera que los resultados obtenidos fueran comparables. La plaquita empleada en los ensayos es una RCKT 1204M0-PM calidad 4230.

Fig. 5. Máquina CMZ® TC25BTY y herramientas Sandvik® empleadas en los ensayos.

Los parámetros de corte principales, empleados en las dos operaciones de mecanizado, son los mismos y fueron determinados basándose en las condiciones recomendadas para la operación de torneado convencional. Los parámetros empleados en la operación de torno-fresado, se derivan de las condiciones de cilindrado, empleando la formulación anteriormente citada. Se hace necesario el conocimiento de algunas características de la fresa para el cálculo de los parámetros de fresado que junto con las condiciones de corte empleadas se recogen en la Tabla (1).

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Tabla 1. Condiciones de corte empleadas en los ensayos y características de la fresa. Torneado

Característica fresa

Torno-Fresado

ap (mm)

2

Nº dientes

4

ap (mm)

2

Av (mm/rev)

0,2

ØT (mm)

50

Av (mm/rev)

19

Vc (m/min)

200

Øef (mm)

28

Vc (m/min)

200

Ew (mm)

19

Fz (mm/rev)

0,2

Øef ØT

RESULTADOS EXPERIMENTALES Desgaste en torneado El desgaste experimentado por la plaquita de corte en la operación de torneado convencional está representado en la Fig. (6), donde se puede observar la evolución del desgaste en la cara de incidencia, Vb(mm) en función del volumen de viruta eliminado. Se aprecia, fundamentalmente en las dos primeras imágenes que existe una amplia zona de la plaquita que ha sido afectada térmicamente como consecuencia del calor generado en el mecanizado. En las dos últimas imágenes, en cambio, se aprecia la aparición de un desgaste por entalla, que se genera como consecuencia de realizar todo el mecanizado a una profundidad de corte constate.

Desgaste en torno-fresado ortogonal En la Fig. (6), se representa el desgaste experimentado por las placas en la operación de torno-fresado ortogonal. Al igual que para el caso de torneado, se evalúa Vb frente al volumen de material eliminado. Se observa que el desgaste experimentado por la placa de corte es un desgaste por abrasión. Además, no se aprecia ninguna zona afectada térmicamente, ya que la discontinuidad en el proceso de mecanizado favorece la refrigeración de los filos. La sección de viruta que se genera en esta técnica no es constante, provocándose así un desgaste más uniforme a lo largo del filo en contacto y evitando de esta manera el desgaste por entalla.

Fig. 6. Evaluación del desgaste en incidencia de la placa de corte en función del volumen de viruta .

Desgaste de herramienta en torno-fresado ortogonal

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Comparación de resultados En la Fig. (6), se aprecia que el desgaste experimentado por la herramienta en torneado convencional es mayor que el que se genera utilizando el proceso de torno-fresado ortogonal. Las virutas para cada una de las técnicas se aprecian en la Fig. (7). El torno-fresado conduce a virutas cortas y en forma de media luna, mientras que la viruta generada en el torneado convencional es continua y con una escasa fragmentación a lo largo de proceso de cilindrado. Debido a que la forma de la viruta condiciona la evacuación de la misma fuera de la máquina, la extracción de una viruta corta, como la del torno-fresado, es más sencilla de realizar de forma automática por la máquina.

a)

b)

Fig. 7. a) Viruta generada en torneado, b) Viruta generada en torno-fresado.. CONCLUSIONES El sector de la máquina herramienta está dando respuesta a las necesidades productivas de la industria aportando máquinas, herramientas y técnica cada vez más flexibles, con el objetivo de obtener piezas de mayor precisión dimensional y reduciendo el tiempo de mecanizado. La técnica de torno-fresado ortogonal genera una rugosidad superficial en la pieza característica del proceso. El desgaste experimentado por las plaquitas de corte es menor que el generado en una operación de torneado convencional. La afectación térmica de la plaquita de corte es menor, ya que se trata de un corte interrumpido y permite la refrigeración del filo de corte. Como consecuencia de la cinemática del proceso la viruta tiene forma de media luna, lo que genera un desgaste uniforme a lo largo del filo de corte y evita la formación de entalla. REFERENCIAS [1] L.N. López de Lacalle, A. Lamikiz, Machine Tools for High Performance Machining, Springer London, (2009) [2] M.C. Shaw, P.A. Smith, N.H. Cook, The rotary cutting tool, ASME, 74 (1952), 1065-1076. [3] H. Schulz, T. Kneisel, Turn-milling of hardened steel and alternative to turning, CIRP, 43 (1994) , 93-96. [4] Ping Chen, Cutting temperature and forces in machining of high performance materials with self-propelled rotary tool, JSME Int. J. Ser. III 35 (1992), 180-185. [5] S.K. Choudhury, J.B. Bajpai Investigation in orthogonal turn-milling towards better surface finish, Journal of Materials Processing Technology, 170 (2005) 487–493. [6] V. Savas, C. Ozay The optimization of the surface roughness in the processof tangential turn-milling using genetic algorithm Int J Adv Manuf Technol, 37 (2008), 335–340