¿Qué son los centros de mecanizado o centros de maquinado?

¿Qué son los centros de mecanizado?

La mayoría de los centros de mecanizado (o centros de maquinado) del mercado cuentan con control numérico (CNC) y sirven para más de un propósito. Muchos pueden realizar combinaciones de operaciones como fresado, taladrado, mandrinado, roscado y escariado en una sola configuración.

Los centros de mecanizado se presentan en tres tipos generales: máquinas horizontales de tres ejes, verticales de tres ejes y de cinco ejes (existen máquinas de cuatro y seis ejes, pero son menos comunes).

Las máquinas horizontales y verticales de tres ejes se diferencian principalmente por la inclinación del husillo, con los husillos de las máquinas horizontales paralelos a la superficie de la mesa de la máquina y los husillos de las máquinas verticales perpendiculares a la superficie, aunque las construcciones individuales varían ampliamente para prestar diferentes aplicaciones.

Las máquinas de tres ejes se mueven en tres planos controlables por el CNC. En el caso de un centro de mecanizado vertical, el eje X controla el movimiento de izquierda a derecha, paralelo a la superficie de sujeción; el eje Y controla el movimiento de adelante a atrás, perpendicular a los ejes X y Z; y el eje Z controla el movimiento de arriba a abajo. La mayoría de las máquinas utilizan un husillo fijo y una mesa móvil, o una mesa fija y un husillo móvil. La rotación del husillo nunca se considera un eje.

Las máquinas de cinco ejes (y de cuatro y seis ejes) introducen ejes adicionales que permiten que la mesa o el cabezal del husillo giren y pivoten. El eje A implica la rotación del eje X, mientras que el eje B está emparejado con el eje Y y el eje C con el eje Z.

Sistemas de adaptación del husillo en un centro de maquinado

Las herramientas de corte rotativas, como las fresas frontales, los end mill y las fresas de ranurar, requieren un alto grado de precisión y rigidez de montaje para lograr una vida útil y una productividad óptimas. Estas herramientas pueden montarse directamente en la cara del husillo o a través de un adaptador de mango cónico intermedio, comúnmente conocido como portaherramientas.

Algunos ejemplos de estos adaptadores son:

• Adaptadores de fresa.
• Adaptadores de fresa de vástago.
• Árboles de sujeción.
• Chucks de pinza.

La mayoría de los sistemas de adaptadores utilizan un vástago cónico que se mantiene en el husillo de la máquina mediante una barra de tracción roscada o una barra de tracción que agarra una perilla de retención en la parte posterior del adaptador. Los adaptadores suelen estar accionados por chavetas montadas en la cara del husillo.

El tamaño del adaptador suele indicar la rigidez de la máquina: los adaptadores más grandes significan una mayor rigidez de la conexión. Los pomos de retención suelen ser exclusivos de cada fabricante de máquinas-herramienta y del tamaño del husillo, por lo que es necesario verificar el uso del pomo correcto.

La conicidad estándar tiene una relación de 7:24 (3.500 pulgadas por pie, 291,663 mm por metro; u 8° 17′ 50″). Entre sus diferentes denominaciones se encuentran:

• Cono empinado.
• Estándar americano.
• ISO.

La relación 7:24 permite características de autodescarga. Aunque han evolucionado varias normas nacionales para acoplar adaptadores a los husillos, todas buscan la compatibilidad con este cono.

El cono inclinado solo requiere que cumpla requisitos de alta precisión en el mecanizado, lo que hace que las piezas que lo utilizan sean relativamente sencillas y económicas de fabricar. Estos adaptadores se mantienen en la profundidad del husillo para reducir el voladizo de la herramienta con respecto a la cara del husillo y son relativamente fáciles de retirar, ya que no se bloquean ni se atascan.

No obstante, la superficie cónica debe ubicar el adaptador en relación con el husillo y sujetarlo rígidamente. Debido al costo de la alta precisión requerida para asegurar el contacto continuo de la cara y el cono, estos adaptadores pueden presentar problemas de desequilibrio y ubicación radial a altas revoluciones.

Otros sistemas cónicos comunes son los de Brown y Sharpe, Morse y Jarno. Tanto estos como el cono empinado se consideran conos “autosuficientes” porque tienen ángulos lo suficientemente pequeños para mantener los mangos en su lugar únicamente por fricción, asegurando la rotación de la herramienta dentro del zócalo.

Sistemas de adaptadores para centros de mecanizado

Los adaptadores del sistema CAT V, así como sus equivalentes regionales BT y DIN 69871, se montan directamente en el husillo, con una barra de tracción que agarra la perilla de retención en la parte posterior del adaptador. Este sistema se caracteriza por la brida, que el dispositivo de cambio de herramientas de la máquina utiliza para recoger una herramienta del cambiador o del magazín para utilizarla en el orificio cónico del husillo correspondiente.

Las partes traseras de estos adaptadores están roscadas, por lo que un mismo portaherramientas puede utilizar una variedad de perillas de retención para adaptarse a diferentes grippers de la máquina.

Los adaptadores BT y DIN 69871 no son intercambiables con los CAT V, ya que los dos primeros utilizan el sistema métrico, mientras que el segundo utiliza el sistema imperial.

A diferencia del sistema CAT V, los adaptadores de vástago cónico National Machine Tool Builder Standard (NMTB) requieren que la barra de tracción de la máquina se enrosque directamente en la parte posterior del adaptador y no en una perilla de retención. Tampoco hay ranura de cambio de herramienta, por lo que estos adaptadores no son adecuados para centros de mecanizado con cambiadores automáticos de herramientas.

Los adaptadores del sistema HSK (hollow shank kegel) son los más eficientes para operaciones de alta velocidad. Sus características principales son:

• Vástago más corto y compacto que los cónicos regulares.
• Cono hueco con una relación menos profunda de 1:10 (1,2 pulgadas por pie; 100 mm por metro; o 2° 51′ 53″).
• Seis configuraciones de mango designadas con las letras A-F:
  • A-D: Para velocidades relativamente bajas.
  • E-F: Para corte de alta velocidad.
• La mayoría de los fabricantes de máquinas-herramienta ofrecen husillos HSK en sus centros de mecanizado.

Los adaptadores hidráulicos y de contracción utilizan la presión hidráulica y la contracción térmica, respectivamente, para centrar con precisión la herramienta de corte y minimizar la excentricidad. Las versiones de cono inclinado y HSK de ambos:

1. Aplican presión uniformemente alrededor de la superficie de la herramienta, actuando como una pinza precisa.

2. Automatizan el proceso de centrado de la herramienta.

Los portaherramientas hidráulicos tienen un manguito de acero expansible lleno de aceite. Al girar el tornillo de accionamiento en el portaherramientas, la presión del fluido aumenta hasta 15 toneladas por pulgada cuadrada. Las paredes del manguito se abomban hasta sus límites elásticos para sujetar el mango de la herramienta y luego se relajan hasta sus dimensiones originales cuando se alivia la presión.

Los adaptadores de ajuste por contracción tienen diámetros ligeramente inferiores a los de las herramientas de corte que sujetan. Los sistemas de calentamiento por inducción expanden el adaptador lo suficiente para que el mango de la herramienta se deslice en su interior. Cuando el eje de sujeción se enfría, agarra el mango con una fuerza de sujeción de hasta 10,000 libras.

Algunas fresas se montan directamente en la cara del husillo, con las chavetas de los drives y el orificio de montaje de los pernos roscados en el husillo que coinciden con las ranuras de las chavetas y el patrón de los orificios de los pernos en el cortador.

Tras insertar un tapón de centrado en el cono del husillo, los usuarios pueden montar directamente el cortador en lo que se denomina montaje trasero plano. Este método garantiza la máxima rigidez, ya que no hay ninguna extensión ni saliente de la cara del husillo.

Precisión y repetibilidad en los centros de maquinado

Aunque la precisión y la repetibilidad son vitales, estas especificaciones pueden ser especialmente difíciles de determinar porque los distintos fabricantes utilizan definiciones diferentes.

En general, existen tres estándares de precisión: unidireccional hacia delante, unidireccional hacia atrás y bidireccional (que es la media de las dos). La repetibilidad —que es la distancia entre muestras de precisión, probada en toda la gama de puntos de datos— suele tener cuatro normas: repetibilidad hacia delante, repetibilidad hacia atrás, repetibilidad bidireccional y dispersión.

El "movimiento perdido", también llamado "error medio de inversión", es la diferencia respecto al centro que se encuentra al comparar las marcas realizadas con la repetibilidad hacia delante y hacia atrás. La recopilación de datos suele repetir los procesos siete veces y luego crea una curva de campana de los resultados, calculando tanto las desviaciones estándar como la media. Los distintos estándares de medición utilizan las desviaciones estándar de forma diferente.

Los distintos fabricantes también utilizan diferentes estándares de precisión y repetibilidad. La mayoría de los estándares ofrecen valores totales, aunque muchos fabricantes anuncian que utilizan valores ± más pequeños. Incluso teniendo en cuenta los propios estándares, las comparaciones entre ellos son de poca utilidad debido a las diferencias en los cálculos que producen resultados diferentes.

Seis normas comunes son la NMBTA (utilizada principalmente en Estados Unidos, y la única norma que calcula estadísticamente utilizando datos bidireccionales), la ISO 230-3-1988 (utilizada en Europa), la BSI BS 4656 Parte 16 (utilizada en Gran Bretaña), la VDI/GDQ 3441 (utilizada en Alemania), la JIS B 6336-1986 (utilizada en Japón) y la ASME B5.54-92 (otra norma estadounidense).

Medición y ajuste de herramientas

La medición de la longitud, el diámetro y el perfil de un cortador puede reducir la variabilidad y optimizar los procesos de mecanizado. Tradicionalmente, el reglaje de herramientas se realiza fuera de línea con un calibre de reglaje que verifica las dimensiones:

• Manualmente.
• Mediante un código de barras.

Este proceso es fiable para determinar el desplazamiento de la herramienta respecto a la pieza, pero no traduce cómo se alinearán:

• El portaherramientas.
• La barra de tracción.
• El husillo de una herramienta a otra.

Por este motivo, la repetibilidad perfecta entre la herramienta de corte y el husillo es poco frecuente.

Los sistemas de medición láser pueden realizar una medición dinámica de las herramientas a medida que el husillo gira. Sus características clave son:

• Rayos láser sin contacto, generalmente de tamaño único.
• Bajo riesgo de contaminación.
• Consumo inferior a un vatio y sin necesidad de protección ocular especial.
• Haz fotoeléctrico de alta precisión que se activa al romperse.
• Transmisión de la señal al CNC o PLC, donde el software compara el punto de contacto con los valores de referencia en las tablas de datos.

La propia rutina de medición es una macro automática integrada en el software. Los sistemas láser son compatibles con diámetros tan pequeños como 0.012 pulgadas (0.3 mm) y ofrecen una precisión de unas pocas micras.

Encoders rotativos y lineales

En las máquinas-herramienta, los encoders lineales y rotativos cumplen una función crítica: medir con precisión los movimientos para mantener la posición objetivo durante las operaciones.

La elección entre sistemas fotoeléctricos, magnéticos o mecánicos, así como entre encoders incrementales o absolutos, influye directamente en la exactitud, la velocidad de respuesta y la capacidad de trabajo en entornos exigentes. 

Tipos de contacto en encoders

• Fotoeléctricos u ópticos: los más comunes en máquinas-herramienta por su alta precisión y velocidad de respuesta.

• Magnéticos: adecuados para entornos con polvo o partículas metálicas, con buena resistencia a la contaminación.

• Mecánicos: menos frecuentes, emplean contacto físico para la detección de posición.

Encoders rotativos

• Función principal: medir movimientos rotativos y, en algunos casos, movimientos lineales mediante husillos o husillos de bolas recirculantes.

• Tipos:

  • Incrementales:

    • Generan señales de salida procesadas por contadores electrónicos que miden incrementos.
    • Comunes en medición de longitudes y movimientos de deslizamiento con husillo de bolas recirculante.
    • Incorporan electrónica de digitalización.

• Absolutos:

  • Determinan el valor posicional angular a partir del patrón de un disco codificado.
  • Proporcionan posición inmediata al conectar la alimentación.
  • Tipos más comunes: codificador Gray y binario natural.
  • Compatibles con software moderno para alta velocidad.

Encoders lineales

• Precisión: resultados en el rango de las submicras, ideales para semiconductores y maquinaria de ultraprecisión.
• Transmisión de datos: envían la información de desplazamiento a un lector digital, controlador NC o periférico.
• Tecnología preferida: sistemas fotoeléctricos.

Diseños de reglas lineales

• Cerradas:

  • Unidad de exploración en un carro guiado por rodamientos sobre escala de vidrio.
  • Labios de sellado contra la contaminación.
  • Uso típico: máquinas-herramienta y de corte, entornos exigentes.

• Expuestas:

  • Escala de vidrio y unidad de exploración separadas físicamente.
  • Sin contacto ni fricción, lo que permite montaje sencillo y mayor velocidad de desplazamiento.
  • Aplicaciones: máquinas de medición de coordenadas, transferencia de datos, manipulación de materiales.

Variantes con escalas metálicas

• Longitud máxima: hasta 30 metros frente a 3 metros en escalas de vidrio.
• Principio de funcionamiento: barrido interferencial, aprovechando la difracción de ondas de luz.

• Ventajas:

  • Alta resolución y precisión.
  • Tolerancia amplia a la separación entre escáner y báscula.
  • Excelente repetibilidad.
  • Mejor adaptación a la dilatación térmica del acero que sistemas láser en distancias ≤ 1 m.