El libro es una oportunidad para actualizar los conocimientos
relativos al mecanizado de alto rendimiento, al fresado a alta velocidad,
y al mecanizado de materiales en algunos casos de muy baja maquinabilidad.
Sin olvidar los aspectos de organización del proceso y CAM.
De la lectura de este volumen también se extraerá una idea
global sobre el saber hacer y la metodología de continua innovación y búsqueda
de mayor efectividad en los procesos de mecanizado. Se ha buscado en todo
momento la calidad de la edición, la actualidad de las máquinas y técnicas
incorporadas como figuras, y suministrar información sobre dónde buscar nuevos
datos sobre los conceptos tratados.
Los autores
Los doctores L.Norberto López de Lacalle, J.A Sánchez y
A.Lamikiz son profesores del Dpto. de Ingeniería Mecánica en la Escuela Superior
de Ingenieros de Bilbao. Allí encabezan el grupo de trabajo en procesos de
fabricación, que engloba las áreas de mecanizado, electroerosión y nuevos
procesos. El texto recoge su conocimiento sobre la naturaleza del proceso
de arranque de viruta así como su experiencia extraída de proyectos de innovación
realizados en colaboración de empresas de varios sectores y de los centros
dedicados al arranque de viruta. Su actividad se integra y coordina dentro
del marco del Centro de Investigación Cooperativa de Fabricación de Alto Rendimiento
Margune.
Índice
Capítulo 1. Introducción
y objetivos
Capítulo 2.
Naturaleza del proceso de arranque de viruta
Capítulo 3. Materiales de las herramientas de corte
Capítulo 4. Desgaste de las herramientas
Capítulo 5. Fórmulas básicas de mecanizado
Capítulo 6. El concepto Mecanizado de Alto Rendimiento
Capítulo 7. Las máquinas para el mecanizado de alto rendimiento
Capítulo 8. Mecanizado de aleaciones de aluminio
Capítulo 9.
Mecanizado de aceros y fundiciones
Capítulo 10.
Fresado de aceros templados
Capítulo 11. Mecanizado de aleaciones de titanio
Capítulo 12. Mecanizado de superaleaciones
Capítulo 13.
Mecanizado de composites
Capítulo 14.
La simulación de los procesos de mecanizado
Capítulo 15.
Los estudios experimentales
Capítulo 16. EL CAM en el mecanizado de alto rendimiento
Capítulo 17.
La verificación de los programas de CNC
Capítulo 18. A modo de conclusiones
Bibliografía recomendada y comentada
TEXTO
Escrito por los doctores L.Norberto
López de Lacalle, J.Antonio Sánchez y A. Lamikiz, profesores del departamento
de Ingeniería Mecánica de la Universidad del País Vasco, que prestan sus servicios
en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, el libro es un trabajo
cuidadosamente editado por el Grupo Izaro, que responde a un doble interés.
Por parte de los autores es un honesto intento de establecer cuál es el estado
del arte actual en la tecnología de mecanizado por arranque de viruta, utilizando
para ello su conocimiento de la tecnología, siempre inspirado por el rigor
propio de los profesores universitarios, y los resultados prácticos de unos
cuantos, bastantes en realidad, proyectos de investigación e innovación en
el campo del arranque de viruta.
Por su parte, Izaro busca seguir
ofreciendo a sus lectores material con alto valor añadido que sirva para elevar
el nivel de formación de los técnicos que deben afrontar los retos de productividad
y calidad cada día más rigurosos, y sumar esfuerzos para que la comunidad
hispanohablante comience a disponer de libros, revistas y medios de difusión
propios, y no meras traducciones de libros provenientes del extranjero.
Sobre la necesidad y la inspiración
Sobre la necesidad de generar
material formativo en castellano, huelga recordar el gran número de habitantes
de este planeta que compartimos este bello idioma. Entonces ¿porqué existe
tan poca literatura sobre fabricación? Ahora es el momento de actuar en esta
dirección. Se ha necesitado la fuerte convicción por parte de los autores
de que en nuestro entorno se conoce, se tiene capacidad y, lo que es más importante,
ganas de alcanzar e incluso superar puntualmente a los centros de investigación
y empresas que comúnmente se consideran como referencia, esto es, alemanes,
americanos y, en estas tecnologías, japoneses.
Un ejemplo que ha inspirado
la edición de este libro son los buenos resultados de algunas editoriales
alemanas en el lanzamiento de libros como el presente. Se trata de obras cuya
vida estimada como elementos de transmisión de conocimiento es de cinco años,
y que se centran en tecnologías emergentes o en nuevos planteamientos que,
en algunos casos, se encuentran en plena efervescencia tecnológica. Por la
novedad de los temas no se dispone de tiempo para publicar libros básicos
con vocación de ser clásicos, es decir, sistemáticos, depurados, que aborden
todos los problemas y matices... Por citar un ejemplo, no se puede lanzar
un Boothroyd, libro bien conocido de muchos lectores y nunca alabado en lo
que vale, de temas como el rapid tooling, el fresado a alta velocidad, etc.
Ante este problema caben dos alternativas: o bien se intenta escribir un libro
con capítulos escritos por varios autores, lo que casi nunca sale bien por
no mantener un hilo conductor común, o solo cabe esperar que algunos profesores
o técnicos se “arriesguen” a poner por escrito ideas y conceptos que aún no
han reposado lo suficiente. El riesgo en este último caso es que algunos colegas
no entiendan que es mejor difundir lo que se sabe y evitar el oscurantismo
(que suele envolver lo nuevo y del que, por cierto, viven más de alguna consultoría
o centros), a esperar a que los conocimientos lleguen a reposar y depurarse
por sí mismos, perdiendo la oportunidad de aportar novedad.
Este libro no es un libro de
texto para enseñar mecanizado desde el principio. No se encontrará en él lo
que es el torneado básico, las partes de una máquina, qué es un calibre...
Se trata de un libro que busca salvar el gap entre los libros básicos y clásicos
y las publicaciones científicas en revistas y congresos que, como no podría
ser de otra manera, solamente se refieren a asuntos y avances muy concretos.
Está escrito con la presunción de que antes de su lectura el lector posee
un conocimiento importante de las operaciones de mecanizado. Es decir, sabe
en qué consisten y cómo se abordan las operaciones de torneado, fresado y
taladrado.
También en este texto se ha
intentado no utilizar un lenguaje excesivamente academicista, en pro de que
los conceptos sean asumibles por técnicos de distintos grados. Sin embargo,
quizás la clásica división entre textos para personal de taller y textos
para técnicos superiores es un tanto artificial. No hay un mecanizado
para universitarios y otro para industriales, el objetivo común es mejorar
la productividad y la calidad de cada proceso.
Los temas tratados
A continuación se ofrece un breve aperitivo de lo que los
lectores van a encontrarse en el libro.
Capítulo 1
El capítulo 1 trata
de establecer las fuentes que han nutrido de conocimiento a los autores,
y junto con el último apartado del libro, dedicado a la bibliografía comentada
y criticada, posee el indudable valor de confeccionar la biblioteca, foros
y congresos que un técnico interesado debe manejar. No falta ni una de las
principales fuentes.
Capítulo 2
El capítulo 2 es un gran compendio
de la naturaleza del proceso de arranque de viruta, asumiendo el conocimiento
clásico de lo que ocurre entre el filo y el material, junto a una más novedosa
forma de estudiar la formación de la viruta. Los modelos clásicos, y básicos,
del proceso se recogen aquí, junto a la descripción de la geometría del corte
y las herramientas.
Capítulo 3
El 3 es un capítulo dedicado
a los materiales que constituyen las herramientas de corte, desde el
acero HSS al PCBN, pasando por el metal duro y el uso de recubrimientos. Sin
duda un aspecto clave de la pujanza de la innovación en procesos ha sido el
lanzamiento de nuevas calidades más duras y tenaces. El lector hallará las
claves para tener éxito en el empleo de cada herramienta, cuyo uso está sometido
a principios diferentes.
Capítulo 4
El tema 4 se centra en el desgaste
de las herramientas, el mecanismo de degradación a combatir mediante el
empleo de unas condiciones de corte adecuadas. Cuáles son sus razones, cómo
se caracteriza, la forma de medirlo. Se resumen las normas ISO que describen
su magnitud.
Capítulo 5
El siguiente
capítulo se centra en las fórmulas básicas correspondientes a los procesos
de torneado, fresado y taladrado. Junto
a la estrategia de mecanizado, son los datos necesarios para la descripción
de cualquier operación. La elección de unos parámetros de corte erróneos generará
con toda seguridad un mal resultado. En cambio, si la elección de estos parámetros
se realiza de forma correcta, se puede garantizar el correcto funcionamiento
de la herramienta, sufriendo ésta un desgaste uniforme y más o menos predecible
y llegando a una pieza de rugosidad superficial adecuada.
Los temas arriba resumidos
se pueden considerar como preliminares, pero han servido para iniciar a los
principiantes, o actualizar y reverdecer los conocimientos de los lectores
más avezados.
Capítulo 6
El 6 es el primer capítulo realmente centrado
en los nuevos avances, definiendo que se entiende por fresado de
alta a velocidad, mecanizado de alto rendimiento, corte de alto rendimiento,
etc. Tras su lectura no quedará espacio para aquellos vendedores, investigadores
y técnicos interesados en seguir jugando a la grandilocuencia de los términos.
Lo que en España se entiende por los términos aquí descritos se acota de forma
precisa. Se prosigue el capítulo adelantando las principales claves de lo
que es mecanizado de alto rendimiento según las familias de materiales y sectores.
Capítulo 7
El tema 7 se centra en
las máquinas que sustentan los procesos de mecanizado de alto rendimiento.
De todas formas ha de recordarse que
éste no es un libro sobre máquinas - herramienta sino sobre procesos avanzados.
Aunque uno y otras están indisolublemente unidos, y no pueden separarse. Por
hacer un símil aclaratorio, es un libro sobre como conducir y planificar viajes
(visión de usuario) y no de diseño y construcción de coches (visión del constructor
de máquina - herramienta). Pero se intenta definir la máquina tipo que hoy
día se ofrece a cada sector.
Capítulo 8
Dado que fue el sector de mecanizado de aluminio para fuselajes
el primero que incorporó el fresado a alta velocidad se ha considerado de
justicia histórica tratar el mecanizado de las aleaciones de este material
en primer lugar, en el capítulo 6. Sin embargo, se abren dos grandes grupos
de aplicación, el mecanizado de aleaciones maleables para aplicaciones
estructurales, especialmente fuselajes, y el de las aleaciones de fundición
Al-Si.
El desarrollo en los últimos años de la producción de aeronaves
ha conllevado un nuevo y creciente interés en las técnicas de mecanizado de
alto rendimiento aplicadas a las aleaciones ligeras. En nuestro país existen
numerosas empresas implicadas en varios contratos aeronáuticos, entre los
que destaca el nuevo Airbus 380, siendo un sector en alza. Hay nuevas ideas,
herramientas y retos. Entre ellos el fresado en ausencia de lubricante, mecanizado
en seco, o con mínima cantidad de lubricación... ¿Sabe el lector que utilizar
taladrina a 25000 rpm no hace gran cosa por la vida de la herramienta?. Las razones en este capítulo. ¿Sabe por qué una herramienta
de metal duro con poco cobalto en el sustrato es muy adecuada?, la respuesta
en el libro.
Si hubiese una asociación de enemigos de las aleaciones
de aluminio-silicio empleadas en automoción varios lectores serían candidatos
a socios fundadores. Ya se sabe que este aleante es muy abrasivo, y aquí se
explica porque ese 12% de contenido es tan importante. El lector no va a encontrar
aquí una solución drástica a sus problemas, pero por lo menos se sentirá acompañado
por los autores, solidariamente acompañados.
Capítulo 9
Llega el turno del acero, el lector (esperemos que
numerosos lectores) puede pensar que este material da para libros enteros,
y no se equivoca. Por tanto, se ha elegido la perspectiva de abordar la dificultad
de mecanizado de cada fase metalúrgica, “una idea muy adecuada que me permite
sacar deducciones para mis procesos” nos dice un lector que ha tenido
acceso al manuscrito y que trabaja en un centro tecnológico de referencia.
Un tema especialmente relevante que se podrá constatar en todo el texto, no
solamente se trata la maquinabilidad sino aspectos de mecanizado que
tienen que ver con las formas de pieza, requisitos habituales del sector,
aplicación, etc. ¿O es que es lo mismo mecanizar fundición para obtener
discos de freno que matrices de estampación de chapa? Para datos de corte
ya existen manuales como el Metcut o las recomendaciones de los fabricantes.
La importante experiencia de los autores en el sector de matricería se vuelca
en este capítulo.
Capítulo 10
El tema 10 es uno de las estrellas, dedicado
al fresado de aceros templados para la construcción de moldes. Desde
mediados de los años 90 se ha asistido a la rápida incorporación del fresado
a alta velocidad en la fabricación de moldes y matrices. En estos elementos
se unen dos problemas de diferente naturaleza, el material constitutivo es
un acero de más de 30 HRC y las formas finales son complejas, muchas veces
del tipo esculpido. No hay más que pensar en los productos finales
fabricados mediante inyección en el caso de los moldes y de estampación en
el caso de las matrices, siempre formas complejas.
La importancia de este subsector industrial ha sido tan
evidente que es sin duda uno de los factores que han contribuido a que el
término mecanizado a alta velocidad se haya hecho tan “popular”
en los últimos tiempos. Por este motivo es objeto de un capítulo completo
en este trabajo. Las ideas van a surgir de forma natural tras su lectura en
aquellos lectores que se preocupan por la precisión y rugosidad de sus moldes.
Ideas, métodos y ejemplos exitosos sin ningún interés de vender una máquina
o una herramienta. Los ejemplos se detallan con todos los datos, siendo casos
reales tanto propios de los autores como realizados en colaboración con
Fatronik y Tekniker.
Capítulo 11
El capítulo 11 es para las aleaciones de titanio,
y especialmente la Ti6Al4V, un viejo conocido de los autores. En este
capítulo se reflejan dos aspectos. Por un lado, la forma en que se abordó
el problema de mecanizado de un material nuevo, como fue el caso del Ti6Al4V;
su principal valor es ser un elemento de reflexión sobre la metodología a
aplicar en optimización de procesos. Y en segundo lugar presentar datos actuales
sobre la forma de mecanizar este material. La tecnología de torneado asistido
por lubricante a alta presión, JAM(Jet Assisted
Machining) fue por primera vez probada en España en 1997. Esperamos que a
partir de la lectura de este capítulo ya no sea desconocida para nuestras
empresas.
Capítulo 12
El 12, un capítulo dedicado a las superaleaciones.
Estos materiales, aleaciones de níquel, cobalto y hierro, también se denominan
aleaciones termo-resistentes. En nuestro entorno hay una creciente
industria dedicada a su transformación y mecanizado, por lo que se ha considerado
interesante su inclusión en este texto, centrándonos en el más característico
del grupo, el Inconel 718. No hay peores materiales (quizás sí en el infierno,
mecanizadores... ¡sed buenos!), muy dúctiles, tendentes a endurecimiento por
laminación, con afinidad por las herramientas. Las velocidades de corte de
40 m/min ya son una proeza. Pues bien, se abordan dos tecnologías, el uso
de herramientas de cerámica reforzada para multiplicar por 10
las velocidades de corte, y la técnica de fresado asistido por plasma,
PAM (Plasma Assisted Milling) quizás aplicada por primera vez en el mundo.
El taladrado es una operación de gran importancia y que
aún no se ha abordado en profundidad en este libro. Dado que el taladrado
de superaleaciones fue objeto de estudio de varios proyectos de los autores,
parece buena excusa presentar los resultados entonces logrados para indicar
un camino metodológico orientado hacia la optimización del taladrado en general.
Capítulo 13
Para los composites se ha destinado
el capítulo 13... “¡menos metal y más composite!” parece reclamar la industria.
Cuando se hace referencia al procesado de estos materiales son dos
los aspectos a tener en cuenta, por un lado la fabricación del material en
sí mismo, que escapa a los objetivos de este curso, y por otro su posterior
mecanizado. En este material la clave es mecanizar sin daño, es decir, que
el material no se degrade en el taladrado, operación muy principal, o en el
trimming... ¿Qué es el trimming?.. ¡A leer el volumen!
Capítulo 14
En el 14 un tema con gran profundidad. Un
dato, en el congreso celebrado por INVEMA relativo a tecnologías de fabricación
en 2000 se hizo el esfuerzo de traer a varios “gurús” sobre la simulación
de procesos, sin existir en nuestro entorno gran actividad en este campo.
Cuatro años después se ha alcanzando el nivel internacional, y este capítulo
condensa el saber en simulación del mecanizado por la técnica de elementos
finitos, y por modelos semi-mecanísticos. Es un “todo lo que hay que saber”
para sentirse cómodo y poder establecer el interés y posible aplicación que
cada técnica de modelización tiene para un usuario. El mecanizado es una ciencia
aplicada, no una mera artesanía, y si no se ha entendido así... bueno, la
competencia extranjera seguro que ya lo ha entendido.
En primer lugar se aborda la técnica de elementos
finitos para la simulación 2D y 3D de un virutazo. Como se leerá, incluso
existe hoy una aplicación comercial cuyas prestaciones crecen día a día. En
un segundo bloque se abordan los modelos semimecanísticos, más cercanos a
la aplicación industrial, y que permiten obtener las fuerzas de corte de procesos
tan complejos como es el fresado con herramientas esféricas. A su vez son
parte esencial en la definición de modelos de estabilidad del proceso, necesario
para evitar el pernicioso fenómeno del chatter. Este tema es claramente de
gran complejidad matemática, aunque se ha reducido al máximo. Además los autores
lo tienen claro, una cosa es el modelo, y otra lo que un usuario debe saber
de las posibles ventajas de aplicación del mismo.
En este capítulo se abordan los problemas
del fresado de paredes delgadas, thin walls, presentes en fuselajes
y otros componentes. El porqué las paredes delgadas padecen de chatter, y
el éxito de su mecanizado depende, además del saber hacer, de la simulación
del proceso. No hay que perderse el interesante gráfico que ubica los problemas
existentes en el fresado de cara a su investigación, si esta fuese una carta
de menú pondría en su pie de figura... “un indispensable en su selección”.
Capítulo 15
El 15, un largo capítulo dedicado a los métodos
experimentales. Las curvas de Taylor se conocen desde 1907, ¿es qué en
2004 vamos a seguir con las mismas ideas y acercamiento al problema? No se
trata de herejía, simplemente de que el valor añadido de los productos ha
cambiado y, por tanto, la orientación de la experimentación en mecanizado.
En el ámbito internacional también hay autores que comienzan a criticar a
los clásicos (Boothroyd, Trent, etc.). Déjenos el lector incluir una cita
histórica de Cicerón: “En la discusión lo que debe exigirse no es tanto el
peso de la autoridad como la fuerza de los argumentos”. De hecho, la autoridad
de quienes profesan la enseñanza es a veces un obstáculo negativo para quienes
desean aprender; para saldar la cuestión dejan de utilizar su propio juicio y aceptan lo que consideran
como veredicto del maestro escogido. En realidad no me siento en disposición
de aceptar la práctica atribuida tradicionalmente a los pitagóricos, quienes
preguntados por los fundamentos de cualquier afirmación que hacían en un debate
se dice que solían responder “El Maestro lo dijo”, donde, el maestro era Pitágoras.
Tan poderosa era una opinión ya decidida, que hacía prevalecer una autoridad
carente del apoyo de la razón.
Los lectores de este texto percibirán que
los autores son de la escuela de Cicerón, y que además solicitan a los lectores
que también lo sean respecto a lo que ellos mismos escriben.
En este capítulo se trata de la experimentación
tanto en trabajos de investigación como un método para la mejora de la productividad
y calidad de los procesos industriales. La instrumentación de los ensayos,
medidas de fuerza y temperatura en herramienta se tratan con bastante profundidad.
Por último, se incluye un informe de evaluación del rendimiento de dos
herramientas, ya que para muestra bien vale un botón.
El éxito del mecanizado de una pieza depende de numerosos
factores. Además de disponer de una buena máquina y emplear las herramientas
más adecuadas, es necesario disponer de programas de control numérico (CN)
que obtengan mejores resultados tanto en calidad como productividad. Estos
programas se obtienen mediante sistemas de CAM (Computer Aided Manufacturing).
Tras un proceso interactivo donde el usuario controla la trayectoria y las
condiciones de mecanizado, se obtiene el programa de mecanizado que será ejecutado
en la máquina-herramienta.
Capítulo 16
Al CAM se dedica el capítulo 16. La tecnología CAM no es
nueva, data de los 80, pero actualmente se ha mostrado como uno de los puntos
fundamentales del mecanizado de superficies y piezas complejas, razón por
la que se trata en este capítulo. Además es un aspecto que incumbe al usuario,
siendo parte del proceso. Se incluyen ejemplos, estrategias, y cuales son
los avances que se presumen a medio plazo.
Capítulo 17
El capítulo 17 versa sobre la verificación
de programas, el mecanizado virtual, parte interesante en la forma de
trabajar a alta velocidad y en el mecanizado en 5 ejes. Por último, se plantea
la idea de los autores sobre el “CAM inteligente”, una verdadera idea “made
in the University of the Basque Country”. Este es un esquema global de trabajo
y filosofía de integración de la modelización y simulación de procesos en
el entorno productivo. Quién tras la lectura de este tema afirme que no sabe
para qué sirve la simulación o que valor puede aportar, a)o
debe volver a leerlo o b) que plantee una discusión abierta con los autores.
Capítulo 18
Llegados al capítulo 18 parece que los autores
tienen ganas de opinar, que el encorsetamiento científico-técnico al que se
han autoobligado en los 17 anteriores temas desarrollados, debe ser relajado.
Por este motivo el tema se titula A modo de Conclusiones,
y no simplemente conclusiones. Para más de un lector sería más
apropiado Cuadernos para el debate, pues el comienzo es bastante
electrizante para las complacientes almas de más de un fabricante de máquinas
o usuarios de sectores transformadores. Se ve que los autores tienen ganas
de que en el sector de máquina - herramienta se aborde una discusión seria
de los peligros que las técnicas de aportación del material suponen para el
arranque de viruta. Hay que suscitar debates, no puede haber síntesis sin
antítesis previa, la tesis la han aportado los mecanizadores y los autores
en los 17 temas anteriores. ¿Cómo va afectar el rapid tooling, el sinterizado
por láser, a los sectores transformadores?
Vemos que alguno de los autores es un Tintín-ologo
declarado, y que como Arturo Pérez Reverte ve en las viñetas de Tintín “ecos
de un mundo ubicado en una época indefinida” y con una evocación a una luz
imposible. ¿Qué tiene que ver esto con el mecanizado?, no, no desvelemos el
misterio, léase estas páginas y allá está la respuesta. ¡Cuánto se ha perdido
la tecnología de mecanizado porque el profesor Tornasol no se haya dedicado
a ella!
En definitiva, en las conclusiones finalmente
los autores vuelven al presente y a la cordura, recordando que los avances
en mecanizado son permanentes, con nuevos conceptos de máquina como las de
cinemática paralela, diseños más depurados, y entrada de lo micro en el sistema.
Por último los principales libros de la biblioteca
de los autores son comentados sin prejuicios.
