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El fresado en 5 ejes: máquinas, procesos y formación

01/12/2007

En diez años las fresadoras de 5 ejes han pasado de ser una rareza a ser la norma en la fresadora de medio y pequeño tamaño. Las razones son varias: no son caras (o no tan caras), son ya cercanas al usuario que ha empezado a tener una experiencia propia con ellas, los vendedores ofrecen apoyo a sus clientes sobre cómo sacarles partido y los paquetes de CAM las contemplan, con lo cual la programación se simplifica. Pero, sobre todo, son comunes porque son la “solución natural” al fresado desde el punto de vista de la tecnología.

Recordando lo que se estudiaba en Teoría de mecanismos y en Mecánica sobre manipuladores espaciales se tiene que:

  • Un cuerpo en el espacio debe ubicarse mediante 6 coordenadas, denominadas sus 6 grados de libertad.
  • Al ser un cilindro simétrico respecto a su eje, solamente hacen falta 5 grados de libertad, dado que su propia rotación no es una coordenada representativa.
  • El manipulador que atrapa y mueve un objeto de forma cualquiera debe tener 6 ejes o grados de libertad para poder dotarle de sus 6 coordenadas. Un ejemplo de esto son los robots antropomórficos que suelen tener 6 grados de libertad.
  • Si el manipulador atrapa a un cilindro, y la herramienta fresa es un cilindro, debería tener 5 grados de libertad.

De este conocimiento básico surge una rápida conclusión: una máquina (mecanismo) de 5 grados de libertad puede colocar una fresa en cualquier posición del espacio respecto a la pieza. El mecanismo se adapta a la necesidad y la resuelve totalmente. Por consiguiente, se ha llegado a la “solución natural” desde el punto de vista de la tecnología. Como hoy en día es mecánicamente posible hacer una máquina de 5 ejes servocontrolada, con la suficiente rigidez para poder tener precisión, se ha llegado pues a la obtención de las fresadoras de 5 ejes y además se ha generalizado su uso; no podía ser de otra manera.

Máquinas de 5 ejes, varias soluciones para la cinemática

La máquina de cinco ejes es un mecanismo espacial de elevada complejidad, que debe resolver tres aspectos fundamentales. En primer lugar, definir la cadena cinemática que sustenta la máquina, definiendo sus pares y la forma física de realizarlos. A los centros de tres ejes basados en una estructura cartesiana se deben añadir dos ejes de giro. Los cartesianos generan los grandes desplazamientos y los de rotación producen la orientación de la herramienta.

De un primer análisis surgen tres configuraciones básicas con varias variantes. Cada una de ellas puede denominarse sistemáticamente por la sucesión de grados de libertad, empezando desde la pieza hasta la punta de la herramienta. De esta manera se tiene:

  • LLLRR, máquina de tipo pórtico (3 ejes lineales en serie) o de cuello de cisne y cabezal rotativo con dos ejes de giro, el C y el A. En esta solución los cabezales tienden a desajustarse con el tiempo y trabajo, necesitándose reglajes periódicos. Fidia ha desarrollado un sistema automático de ajuste. El sistema HMS es un dispositivo para la medición y corrección de cabezales bi-rotativos dotados de tres sensores conectados al CNC y de un software especial de medición que lo gestiona. El sistema, tras la elaboración de los datos obtenidos, es capaz, mediante procedimientos automáticos, de verificar y corregir los posibles errores de geometría, la precisión del posicionamiento y los parámetros del RTCP de los dos ejes en cabezales bi-rotativos. Zayer, Correa, Jobs, Rambaudi, Mecof poseen máquina de gran tamaño de esta configuración. Soraluce en fresadoras de bancada móvil o fija también estaría dentro de este tipo.
  • RRLLL, máquina de tres ejes cartesianos en serie, dotada con mesa basculante y de plato rotativo. Es muy habitual en máquinas pequeñas y compactas. Surgen de una evolución natural de máquinas de tres ejes donde la mesa es sustituida por un plato divisor. Podríamos afirmar que han sido las causantes del gran desarrollo de los cinco ejes en los últimos cinco años, dado el gran número de clientes potenciales que tienen las máquinas de pequeño tamaño. Kondia, DMG, Huron, Haas, Mazak, Mori Seiki, Hermle entre otras poseen producto de este tipo.
  • RLLLR, máquina generalmente de columna móvil donde el cabezal es montado sobre un eje basculante. En la mesa se ubica una mesa rotativa. Es una configuración para piezas de gran altura o de forma cilíndrica. Algunas empresas como Ibarmia han visto en esta arquitectura un gran nicho de mercado, para el sector espacial, eólico y mecanizado general de pieza grande.

En las máquinas de 5 ejes se debe seguir manteniendo una elevada rigidez dado que las solicitaciones originadas por el proceso de corte son muy severas. Por ello, la construcción física de la estructura es de enorme importancia, necesitándose un estudio resistente y dinámico en profundidad.

Tras definir mecánicamente la máquina surge la necesidad de controlar y sincronizar el movimiento de varios grados de libertad simultáneamente, con una velocidad y precisión suficientes para alcanzar los niveles requeridos de precisión y velocidad. Se podría decir que hoy en día casi todos los controles numéricos de marcas conocidas poseen capacidad sobrada para realizar la interpolación de los ejes, entre ellos Heidenhain, Fagor, Siemens, Fanuc, Fidia, Num y otros, algunos de ellos customizados por las grandes empresas de máquina herramienta.

Por último, la programación CAM en cinco ejes simultáneos es difícil y requiere un aprendizaje y periodo de formación intenso. Sin embargo, ya existe una oferta de cursos importante para la formación continua de los técnicos.

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