El mecanizado de alta velocidad (HSM) es una tecnología importante ampliamente utilizada en la tecnología de fresado moderna. Al aplicar la tecnología de fresado HSM, es posible no solo fresar varios materiales blandos y duros, sino también lograr una excelente precisión de la pieza de trabajo. Este artículo describe los requisitos de HSM para herramientas y soportes.
1. Requisitos de HSM para herramientas de corte
1. Geometría
La vibración de la herramienta afecta directamente a la calidad de la superficie obtenida mediante el mecanizado. Por lo tanto, es extremadamente importante mantener una fuerza de corte uniforme en la herramienta durante el acabado HSM para evitar la vibración de la herramienta.
La influencia de las características geométricas adyacentes de la herramienta en la fuerza de corte:
• La buena concentricidad facilita la distribución uniforme de la carga en el filo
• Mayor superposición del filo de corte para características uniformes de fuerza de corte (mayor ángulo de hélice y número de canales)
• Longitud de corte corta para una mayor rigidez (el diámetro del eje se reduce un poco en comparación con las paredes empinadas de la máquina)
• La mejor condición de sección transversal del núcleo con una concentración de tensión mínima en la muesca
Los materiales de alta resistencia se pueden procesar con HSM, lo que significa que la resistencia a la deformación aumenta con la dureza del material a procesar. El aumento de la carga en el filo requiere un diseño estable de la geometría del filo. Sin embargo, se generará más calor por fricción en el área libre de la superficie de la pieza de trabajo a alta velocidad de corte, lo que significa que se debe reducir el ángulo de incidencia de la herramienta. Por lo tanto, solo se puede lograr aumentar la estabilidad del filo de corte reduciendo el ángulo de bisel. En los casos en que el material es muy duro y el material de la herramienta es quebradizo, incluso puede resultar en un ángulo de bisel negativo.
Los radios de ajuste preciso están rectificados en la punta de la hoja para evitar condiciones de calor al rojo vivo o rotura parcial del borde cuando se calienta repentinamente.
Si se requiere que la precisión de la forma de la pieza de trabajo sea muy alta, el radio de la porción de bola de la herramienta de acabado utilizada tiene un impacto directo en la precisión de la forma de la pieza de trabajo que se va a procesar. Por lo tanto, como condición básica, es muy importante utilizar herramientas con tolerancias de radio muy estrechas (en el rango de micras) durante el acabado de piezas muy delicadas.
2. Materiales y Recubrimientos
El material de la herramienta debe ser más duro que el material a mecanizar. Cuanto mayor sea la diferencia de dureza entre el material de la pieza de trabajo y el material de la herramienta, menor será el desgaste de la herramienta y mayor será su vida útil. Debido a las altas temperaturas locales, también es necesario asegurarse de que el material de la herramienta sea resistente a la oxidación.
Las grandes fluctuaciones en la carga térmica y la necesidad de resistencia a la oxidación del material de la herramienta conducen a la eventual necesidad de recubrimientos en los cuerpos de herramienta de carburo de tungsteno de grano fino.
Los sistemas de recubrimiento probados como TiN, TiCN y TiAlCN alcanzan rápidamente sus límites en el procesamiento de HSM. Por ello, se han desarrollado sistemas de recubrimiento multicomponente, basados en nitruros con alto contenido en aluminio, en combinación con otros elementos como el itrio, el vanadio o el tántalo. También se puede lograr un mayor rendimiento utilizando estructuras de nanocapas, CBN y PKD.
2. Requisitos de HSM para portaherramientas
Debido a las altas velocidades de husillo requeridas en el mecanizado HSM, es mejor utilizar los sistemas de portaherramientas HSK-A y HSK-E. Dado que la brida del portaherramientas está montada en el cabezal del husillo, el portaherramientas tiene un soporte mecánico definido en la dirección Z, por lo que a velocidades más altas no es arrastrado hacia el husillo debido al aumento de las fuerzas centrífugas.
Es posible que ya se hayan producido errores fundamentales en la fase de preparación del proceso, lo que hace imposible un control de proceso seguro y con menos vibraciones. Para lograr un mecanizado HSM estable, es fundamental equilibrar y comprobar la alineación del conjunto de herramienta y portaherramientas según sea necesario. También se debe considerar el límite de velocidad de rotación asociado con la masa desequilibrada.
Un sistema de herramientas rotativas mal balanceado o desalineado resultará en:
• muy mala calidad de la superficie
• muy baja vida útil de la herramienta
• Mala estabilidad y seguridad del proceso
• Posible daño al husillo de fresado
El desequilibrio y la desviación de la concentricidad ideal causados por cambios bruscos en el proceso se pueden ver muy claramente en el siguiente diagrama esquemático:
Sin desviación en comparación con la concentricidad perfecta: menor rugosidad teórica
Desviación de la concentricidad perfecta: mayor rugosidad teórica
La masa de equilibrio tiene una influencia importante en el rendimiento dinámico de todo el sistema rotativo.
El desequilibrio es equivalente a tener un objeto excéntrico girando. Este cuerpo excéntrico puede inducir una fuerza centrífuga que aumenta cuadráticamente con la velocidad de rotación. Esto significa que el mismo desequilibrio induce 441 veces más fuerza centrífuga en un husillo a 42,000 rpm que en un husillo a 2,000 rpm (212=441). Por lo tanto, un desequilibrio de la disposición del portaherramientas en el mecanizado de alta velocidad tiene consecuencias adversas particularmente pronunciadas.
Al aplicar la tecnología de sujeción de herramientas en HSM, puede utilizar portaherramientas con:
• Pinzas y
• Reductores
No se recomiendan los sistemas alternativos, como los conectores Weldon, ya que tienen importantes inconvenientes en el procesamiento de HSM.
Debido a las buenas propiedades de amortiguación de los portaherramientas con pinzas que dan buenos resultados durante el proceso de desbaste, junto con las juntas reductoras se puede lograr un alto grado de rigidez y repetibilidad. Esto es esencial para obtener una superficie perfecta de la pieza de trabajo. El uso de reductores le permite lograr una concentricidad muy precisa (menos de 0.003 mm de desviación) y un alto par de transferencia.
Estructura de diseño de varios portaherramientas reductores: el par de transmisión depende de la estructura de diseño del equipo de sujeción; diferentes estructuras de diseño, pueden ser muy diferentes.
