De los orígenes a hoy día
En casi todas las fuentes que se refieren al mecanizado a alata velocidad se citan las teorías sobre la disminución de la temperatura en el corte a alta velocidad descritas por Carl Salomon en la patente alemana presentada en los los últimos años 20 (German patent #523594). Según estas teorÍas, cuando se supera un umbral de la velocidad de corte se debería producir un descenso de la temperatura en los filos de corte. Incluso en la patente se apuntaban ejemplos a muy elevadas velocidades que intentaban demostrar este principio. En aquella época no existían modelos del proceso de corte por lo que esta afirmación era de tipo muy intuitivo, basada en algunos datos experimentales obtenidos por fresado y en bastantes extrapolaciones. Por aquella época el conocimiento del mecanizado era muy primitivo, surgido del esfuerzo de algunos pioneros como Taylor, al que le llevó 25 años de trabajo realizar sus conocidas curvas “velocidad de corte-vida de herramienta” publicadas en 1907 en el artículo “On the art of cutting metals” (Transacciones de la American Society of Mechanical Engineering) que describió muchos de los efectos estudiados posteriormente. Todo el trabajo de Salomon desapareció en 1945 por efecto de la II guerra mundial, sus colaboradores murieron en estas fechas, por lo que existe un gran desconocimiento sobre los resultados y particularidades de los experimentos realizados.
Los modelos de corte que intentan describir la interacción herramienta/pieza datan de los años 40, comenzando por los trabajos de Merchant en 1945, verdadero padre y leyenda viva de la modelización del corte. Con estos modelos se ha buscado relacionar la geometría de operaciones de corte sencillas, con el comportamiento del material. Estos modelos se centraron en un primer momento en el caso más sencillo de corte ortogonal, y luego se proyectaron al caso de corte oblicuo siguiendo los trabajos del australiano Armarego (recientemente fallecido). Sin embargo, estos métodos solamente son aplicables al mecanizado con herramientas de geometría muy sencilla y aún hoy están en discusión cuando se extrapolan a procesos de geometría compleja.
A finales de los 50 Tobías desarrolla la teoría básica del chatter o vibración regenerativa, para establecer las condiciones de estabilidad dinámica de los procesos. Esta línea es posteriormente desarrollada por Tlusty y Altintas entre otros, estando hoy en plena efervescencia. El chatter en operaciones de desbaste produce elevadas vibraciones en la máquina lo que conduce a roturas y averías de los husillos. Y también origina una mala rugosidad en piezas en operaciones de acabado. Por ambos motivos su estudio es muy importante.
En 1979 dio comienzo un Proyecto de cuatro años y dos millones y medio de dólares titulado Advanced Machining Research Program (AMRP). Este programa estaba financiado por la Agencia de Investigación Avanzada de Proyectos de Defensa (DARPA) y gestionado por el Laboratorio Aeronáutico Wright de la U.S. Air Force. El propósito de este programa era reducir los costes de fabricación de sistemas de misiles del Departamento de Defensa (DOD) mediante la adquisición de una base científica para una extracción más rápida de metal. Entre las tareas del proyecto se encontraban la investigación del mecanismo fundamental de la formación de viruta y la innovación en las herramientas y las técnicas del mecanizado de alta velocidad. Los materiales de trabajo incluían aceros, forja, plomo, latón, aluminio, titanio, aleaciones plomo-antimonio y cobre. Las tareas, experimentos y conclusiones fueron muchas, pero podríamos citar algunas que siguen teniendo vigencia hoy día.
- La fuerza de corte disminuye cuando se incrementa la velocidad, hasta alcanzar un valor mínimo para una velocidad de corte característica del material.
- La experiencia indica hasta la fecha (ayer y hoy) que la temperatura en el interface viruta/herramienta se incrementa con la velocidad, aproximándose al punto de fusión del material que se trabaje, al contrario de las tesis expuestas antiguamente sobre la caída de la temperatura a altas velocidades de corte. No existe por tanto ninguna evidencia, o muy pocas, de que lo indicado por Salomon sea cierto. Sin embargo, a él se le sigue reconociendo la paternidad de la idea de mecanizar a velocidades muy altas y plantearse que los principios físicos que gobiernan el mecanizado variarían en este supuesto. McGee en 1978 establece como límite la temperatura de fusión del material, que se alcanzaría a muy elevadas velocidades de corte.
- Excepto para las aleaciones de aluminio, la vida de la herramienta decrece rápidamente cuando se incrementa la velocidad de corte, sin observarse el efecto indicado por Salomon.
- Los experimentos demostraron que, dependiendo del material que se mecanice y de su condición metalúrgica, en el mecanizado de alta velocidad se pueden producir virutas continuas con forma de tiras o bien virutas segmentadas con cizalladura localizada compuestas de distintos segmentos trapezoidales separados por bandas de cizalladura delgadas, intensas y localizadas.
En los 80 comienza a aplicarse al mecanizado la técnica de modelización por el método de los elementos finitos. Son simulaciones largas y costosas computacionalmente, de un solo virutazo, que buscan obtener las fuerzas de mecanizado y especialmente los mapas térmicos en la herramienta de corte. Parten de dos supuestos, la ley de comportamiento del material ante la deformación (en función de la temperatura y velocidad de deformación), y la fricción entre la cara de desprendimiento y viruta. Todavía estos modelos están perfeccionándose pero se puede indicar que han servido para un acercamiento compresivo al fenómeno del mecanizado, estudiando el fenómeno atendiendo a la naturaleza termofísica del arranque de viruta.
En los ochenta se desarrollaron en Alemania varios programas de mejora de las máquinas - herramienta hacia la alta velocidad en un proyecto liderado por el PTW de Darmstadt (grupo del profesor Schulz) que preconizaron lo que fue un boom en los 90: la multiplicación de las velocidades de corte por diez, el desarrollo de nuevas calidades de herramientas de metal duro recubiertas, y la mayor velocidad y prestaciones de las máquinas - herramienta. En un primer proyecto, 1979 - 1983 se desarrolló un husillo con cojinetes magneto-activos y se trabajó en el fresado a alta velocidad de aleaciones de aluminio. Posteriormente, entre los años 1984 - 1989 se realizó el proyecto denominado “Fresado a Alta Velocidad de materiales férricos y no-férricos” en el cual participaron 41 empresas. La investigación se centró principalmente en las herramientas a utilizar, las máquinas-herramientas y sus principales componentes, su eficiencia y aplicación. Un esquema similar se desarrolló en los 90 en Francia, en un gran proyecto liderado por el CETIM y la Universidad de Metz.
Lo acontecido en nuestro país
En España se llevó a cabo desde 1995 una importante actividad de investigación y desarrollo del fresado a alta velocidad. En la aplicación de fresado de aceros tratados para la construcción de moldes y matrices, destacan los proyectos Abiadura (Desarrollo del mecanizado a alta velocidad de materiales de baja maquinabilidad) y Abiacoop (Mecanizado a alta velocidad de moldes y matrices). En el campo de aleaciones ligeras destacaremos el proyecto Alumag (Mecanizado a alta velocidad de aleaciones ligeras para la construcción de piezas de automóvil) y los proyectos Freemach y Sky-Skin enfocados a la estabilidad del mecanizado de componentes aeronáuticos de rigidez reducida. También destacan el proyecto Vmeca y Abiabost que busca una solución global de mecanizado en 5 ejes para diversos sectores mecanizadores.
A fecha de hoy se ha superado la situación de carencia en cuanto a modelización y simulación de procesos que se adolecía en España a finales de los 90. Algunos grupos y proyectos han permitido disminuir la distancia o retraso respecto al estado del arte que se detectó a finales de los 90. Se puede afirmar que el empuje final será la realización del proyecto CENIT 2010,donde se pretende desarrollar tecnología para sentar las bases de la máquina-herramienta del 2015: ecológica, eficaz en cuanto a precisión y productividad, capaz de realizar nuevos procesos de modo integrado y multifuncional y “e-máquina”, inteligente y amigable.
Como ha ocurrido en otros campos de la técnica, en los últimos 10 años han surgido muy rápidamente nuevas ideas, y todos los conceptos tradicionales se han analizado bajo su nueva luz y perspectivas. Algunas de las ideas ya se han desarrollado industrialmente, como es el caso del torneado en duro, que compite con el rectificado en muchas aplicaciones. Otras quedarán olvidadas durante algunos años hasta que se rescaten. Lo que sí se puede decir es que las líneas de evolución son diversas y es difícil llegar a ponderar todos los cambios posibles y su supervivencia.
Nos centraremos en cuatro aspectos: qué es - el concepto y que máquinas existen hoy día, la evolución y la generalización del fresado multieje, el desarrollo constante de recubrimientos y herramientas, el CAM y la monitorización.
Qué es la alta velocidad
Existen tres variantes de este concepto, que a veces se mezclan en la bibliografía sin mucha claridad. Hay que definirlas con exactitud.
Aceros templados y aleaciones de baja maquinabilidad
En la década de los 90 se desarrollaron herramientas que permitieron elevar las condiciones de corte en aceros templados (@50HRC) por encima de las que se consideraban convencionales. Estas herramientas eran y son de metal duro, calidad submicrograno, recubiertas de TiAlN, o las herramientas de PCBN (Nitruro de Boro Cúbico Policristalino). Utilizando estas herramientas las velocidades de corte pudieron aumentar en 4 y 5 veces. Este aumento de la velocidad de corte obliga a que la máquina lleve instalado un husillo capaz de girar a alta velocidad (> 15000 rpm).
Esta velocidad de rotación del husillo, junto a los avances por diente recomendados para las herramientas, implica que la máquina deba mantener avances de trabajo muy superiores a los habituales, esto es, mayores a 5 metros/minuto. Además, el Control Numérico debe controlar con una precisión suficiente las trayectorias, que son curvas interpoladas, como es el caso de los moldes y matrices. Por tanto, se necesita una máquina de muy elevadas prestaciones, que se pasa a denominar como “de alta velocidad”. Esta máquina posee un husillo de alta velocidad, un CNC capaz de gobernar movimientos espaciales a altos avances y debe de ser muy rígida para conseguir una buena precisión.
Aleaciones ligeras
Este es, sin duda, el tipo de mecanizado más cercano al concepto físico de alta velocidad, dado que las velocidades de corte pueden llegar a ser de valor 2000 m/min, o incluso superiores cuando se emplean herramientas del tipo platos de fresar de diámetros superiores a 50 mm. A esta velocidad la forma de generarse la viruta cambia respecto a la convencional. Principalmente, casi todo el calor generado por la energía de deformación inherente al proceso de formación de la viruta se evacúa con la misma, lo cual es muy positivo para la herramienta y la pieza.
Es el tipo de mecanizado que se acerca a lo preconizado desde las teorias de Salomon, aunque como se expuso anteriormente éstas no se consideran hoy día válidas.
Las máquinas que ejecutan este proceso serían similares a las del caso anterior, con un mayor tamaño dada la envergadura de las piezas realizadas en aluminio.
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