La elección de una máquina CNC debe partir de piezas representativas, no de una lista de características. Esta guía relaciona la geometría de las piezas y las exigencias del proceso con el formato de la máquina, el recorrido de los ejes, la capacidad de la mesa, la potencia del husillo, el par a baja velocidad y la precisión. En ella se explican el posicionamiento, la repetibilidad, la interpolación circular, la deriva térmica, las opciones de control de la CNC, los servomotores y los motores del husillo, los sistemas de refrigeración y de evacuación de virutas, los cambiadores automáticos de herramientas, la capacidad del almacén, los portaherramientas, los preajustadores y la asistencia técnica. El resultado es un marco práctico para equilibrar la capacidad, la fiabilidad, la flexibilidad, el coste del ciclo de vida y los requisitos de producción a lo largo de su vida útil.
Las máquinas CNC se presentan en diversos modelos, y cada uno de ellos ofrece un rendimiento óptimo dentro de un rango de aplicaciones concreto. Por lo tanto, el primer paso a la hora de adquirir una máquina es definir las piezas y operaciones representativas que debe poder procesar.
Utilice el plan de modernización o de desarrollo de la producción de la empresa para identificar qué operaciones pasarán a realizarse con equipos CNC y, a continuación, aplique la tecnología de agrupación para clasificar las piezas candidatas. Dado que los tamaños de las piezas y las cargas de trabajo totales pueden variar considerablemente, refine los grupos hasta establecer un conjunto práctico de piezas típicas.
Cada tipo de máquina tiene aplicaciones específicas. Los centros de mecanizado horizontales son adecuados para carcasas, cuerpos de bombas, cuerpos de válvulas y envolventes, mientras que los centros de mecanizado verticales son adecuados para tapas, placas, envolventes y levas planas que se mecanizan principalmente por un solo lado. El mecanizado de una pieza diseñada para un centro horizontal en un centro vertical puede requerir cambios en la fijación y en el punto de referencia, lo que reduce la eficiencia y la precisión. El mecanizado de una pieza diseñada para un centro vertical en un centro horizontal puede requerir una fijación con placa angular que reduzca la rigidez del sistema. Una máquina horizontal de tamaño comparable puede costar entre 80% y 100% más, además de tener unos costes de funcionamiento más elevados, aunque su mayor versatilidad de procesos suele dar lugar a una combinación en el taller de aproximadamente entre 60% y 70% de centros horizontales y entre 30% y 40% de centros verticales.
Los principales criterios relativos al tamaño de la máquina son los recorridos de los ejes controlados y la potencia del motor del husillo.
Los recorridos de los ejes X, Y y Z definen el área de mecanizado disponible. Normalmente, la pieza de trabajo debe caber dentro de ella. Para una carcasa de 450 × 450 × 450 mm, un centro de mecanizado con una mesa de 500 × 500 mm ofrece espacio suficiente para el sistema de sujeción. Una máquina con ese tamaño de mesa suele ofrecer un recorrido en el eje X de entre 700 y 800 mm, un recorrido en el eje Y de entre 550 y 700 mm y un recorrido en el eje Z de entre 500 y 600 mm.
En ocasiones, una pieza puede ser más grande que el recorrido de un eje, siempre que la zona de mecanizado necesaria se mantenga dentro del rango permitido. No obstante, el comprador debe comprobar la capacidad de carga de la mesa, el espacio libre para el cambio de herramientas y la posibilidad de interferencias entre la pieza en rotación y las protecciones o los accesorios de la máquina.
La potencia del husillo indica la capacidad de corte y, de forma indirecta, la rigidez de corte. Los centros modernos utilizan potentes motores de CA o CC de velocidad variable, pero el par disponible puede verse limitado a bajas velocidades, ya que la potencia del motor disminuye a medida que baja la velocidad. Por lo tanto, es necesario comprobar el par a baja velocidad para diámetros grandes y una gran eliminación de material, especialmente en el mandrinado. Los tornos de alta velocidad y trabajo ligero CNC y los tornos convencionales del mismo tamaño nominal pueden presentar diferencias de hasta varias veces en cuanto a la potencia del husillo. La selección debe tener en cuenta el margen de la pieza en bruto, la tasa de arranque de material requerida, la precisión deseada y las herramientas disponibles.
Si no es posible fabricar un pequeño número de piezas especiales con tres ejes lineales, es posible que se requiera un pedido de máquina especial que incluya los ejes rotativos A, B o C, o los ejes auxiliares U, V o W.
Elige la clase de precisión en función de las características críticas de las piezas típicas. Los centros de mecanizado suelen clasificarse en clases estándar y de precisión.
El posicionamiento y la repetibilidad combinan los errores de los componentes móviles en cada eje. La repetibilidad es especialmente importante porque indica si un eje puede volver de forma consistente a posiciones arbitrarias a lo largo de su recorrido. Los controles CNC suelen ofrecer compensación del error de paso y del juego. Estas funciones pueden corregir errores sistemáticos estables, pero no pueden corregir por completo las pérdidas aleatorias causadas por las zonas muertas del accionamiento, las holguras, la deformación elástica, los cambios en la rigidez de contacto, la carga de la mesa, la distancia de recorrido o la velocidad de posicionamiento. Por lo tanto, una alta repetibilidad sigue dependiendo de un diseño mecánico y un ajuste adecuados.
La precisión de la interpolación circular evalúa conjuntamente el seguimiento del servo y la interpolación CNC. Se fresa una pieza de ensayo cilíndrica estándar, normalmente de entre 200 y 300 mm de diámetro en una máquina pequeña o mediana, con una fresa de acabado y se mide en un medidor de redondez. La diferencia radial entre los círculos envolvente máximo y mínimo representa la precisión circular.
Una serie de errores de posicionamiento a lo largo de todo el recorrido conforma la envolvente de errores de posicionamiento en todo el recorrido y define la precisión de posicionamiento.
La precisión de posicionamiento de la máquina puede utilizarse para estimar la precisión de las piezas correspondientes. Por ejemplo, la precisión en la distancia entre centros de dos orificios realizados mediante el movimiento en un solo eje puede ser de entre 1,5 y 2 veces la precisión de posicionamiento en un solo eje, aunque también influyen otros factores del proceso. Un centro de mecanizado estándar suele poder producir piezas de grado 8 en lotes, mientras que un centro de precisión puede producir piezas de grado 6 a grado 7.
La mayoría de los accionamientos de avance estándar CNC utilizan un control de bucle semicerrado y no pueden detectar directamente la dilatación térmica del husillo de bolas. Con un coeficiente de dilatación lineal del husillo de bolas de aproximadamente 11,2 × 10-8/K, un aumento local de la temperatura de entre 1 °C y 2 °C durante el funcionamiento continuo puede desplazar el cero de la máquina y el sistema de coordenadas de la pieza. Si el cero de la pieza se encuentra a unos 400 mm del extremo fijo del husillo, un aumento de 2 °C puede producir una deriva de aproximadamente 8,9 µm. En un centro horizontal que indexa una carcasa 180° para mecanizar orificios en ambos extremos, esto puede duplicar el error de coaxialidad. La pretensión del husillo de bolas puede reducir el error térmico y aumentar la rigidez del accionamiento, pero eleva el coste. La precisión de la máquina por sí sola no es suficiente; también se requiere un plan de proceso adecuado.
El CNC debe ser compatible con la máquina y la aplicación.
Los controles están configurados para torneado, fresado, mandrinado, rectificado, punzonado y otros procesos. Seleccione la versión adecuada para el tipo de máquina.
Los controles disponibles difieren enormemente en cuanto a rendimiento y precio. A modo de ejemplo histórico, un control FANUC 15 podía ofrecer un avance máximo de corte de 240 m/min con un incremento de comando de 1 µm, mientras que un control FANUC 0 ofrecía 24 m/min. Una máquina estándar que solo requiriera 20 m/min obtendría pocas ventajas de un sistema más caro. Evalúa conjuntamente el rendimiento y el coste, en lugar de optar automáticamente por el sistema más nuevo o con las especificaciones más altas.
Las funciones básicas están incluidas en el sistema elegido, mientras que las funciones opcionales suponen un coste adicional. Seleccione las opciones en función de los requisitos reales de rendimiento de la máquina. Al mismo tiempo, especifique todas las funciones necesarias en el pedido inicial. Omitir la compensación de paso o la capacidad de compensación de herramientas puede resultar imposible o costoso de corregir durante la puesta en marcha. Utilizar el mismo modelo de control que ya está instalado en la planta también simplifica el funcionamiento, la programación y el mantenimiento.
Entre los accionamientos de avance más comunes se encuentran los motores paso a paso, los servomotores de corriente continua y los servomotores de corriente alterna. Los motores paso a paso son económicos, pero tienen un rendimiento limitado, con velocidades rápidas de entre 6 y 8 m/min, una resolución mínima de alrededor de 0,01 mm y una tendencia a oscilar a baja velocidad; se utilizan principalmente en sistemas económicos de bucle abierto. Los servomotores de corriente continua se han utilizado ampliamente y son más económicos que los de corriente alterna, pero su respuesta es peor y las escobillas y los conmutadores aumentan el riesgo de averías. En la actualidad, los servomotores de corriente alterna predominan en las aplicaciones CNC.
La potencia del servo depende de la amortiguación y de las cargas de inercia. Comprueba que:
Una inercia de carga inferior a la del rotor tiene poco efecto, pero una inercia igual o superior a, aproximadamente, tres veces la del rotor puede degradar gravemente la respuesta y puede impedir que el servoamplificador regule con normalidad.
La selección del motor del husillo debe cumplir con los requisitos de potencia de corte, tasa de arranque de material y par máximo a baja velocidad; mantener la potencia de aceleración y desaceleración por debajo de la potencia máxima; mantener la potencia media durante los arranques y paradas frecuentes por debajo de la potencia nominal continua; y garantizar que la potencia de corte a velocidad constante, sumada a la potencia de aceleración, se mantenga dentro de la potencia disponible.
Configure los accesorios económicos que sean necesarios para el funcionamiento inmediato, al tiempo que comparta los dispositivos compatibles entre máquinas siempre que sea posible. Compare las funciones de control costosas, como la programación conversacional y los gráficos dinámicos, con alternativas de programación externas a la máquina, ya que la programación en la propia máquina consume tiempo de producción. La medición automática, los palpadores y la detección de desgaste o rotura de herramientas deben seleccionarse por su fiabilidad probada, más que por su novedad.
La refrigeración, la protección y la eliminación de virutas también merecen una atención especial, ya que muchos fallos de funcionamiento tienen su origen en estos sistemas. El suministro de refrigerante mediante boquillas múltiples y las protecciones selladas se adaptan mejor a piezas de distintos tamaños y al corte a alta velocidad que los simples tubos y protectores. Seleccione una capacidad acorde con la producción. A temperaturas ambiente de entre 38 °C y 40 °C, un climatizador para el armario eléctrico puede resultar esencial para garantizar un funcionamiento fiable de los semiconductores.
El cambiador automático de herramientas (ATC) es un componente fundamental en los centros de mecanizado, los centros de torneado y las punzonadoras CNC con cambio automático de punzones. Puede suponer entre el 30% y el 50% de la inversión en la máquina. Sus indicadores clave de rendimiento son el tiempo de cambio de herramienta y la tasa de fallos. La experiencia sobre el terreno atribuye más de la mitad de las averías de los centros de mecanizado al ATC, por lo que suele ser mejor optar por el diseño más sencillo y fiable que se adapte a la aplicación.
La capacidad de los almacenes oscila entre menos de 20 herramientas y 40, 60 o 100, mientras que un almacén central de un FMC puede albergar cerca de 1.000. Un centro de mecanizado autónomo que no vaya a integrarse en un FMC o un FMS no debería, por lo general, contar con un almacén innecesariamente grande, ya que ello aumenta el coste, la complejidad, la tasa de fallos y la carga administrativa.
Dimensiona el cargador en función de las herramientas necesarias para una configuración completa de la pieza típica, más una reserva moderada. Unos 20 utensilios suelen ser suficientes para un centro vertical y unos 40 para uno horizontal. Las piezas complejas a menudo pueden dividirse en dos o tres programas en función del tratamiento térmico, los cambios de punto de referencia o la separación entre el desbaste y el acabado, manteniendo cada programa por debajo de los 40 utensilios. Para volúmenes anuales de varios miles de piezas, las herramientas combinadas de múltiples filos específicas para este fin pueden resultar económicas. Los programas que utilizan más de 50 herramientas también complican considerablemente la programación, las pruebas, el diseño de los dispositivos de sujeción y las revisiones.
Los tornos sencillos de tipo CNC pueden albergar cuatro herramientas, mientras que los centros de torneado complejos pueden albergar docenas de herramientas fijas y motorizadas. Las herramientas motorizadas son caras y es posible que no ofrezcan una alta productividad, por lo que resultan más adecuadas para trabajos complejos, mixtos y de lotes pequeños que para una producción más sencilla de volumen medio o alto.
Una vez seleccionada la máquina y el sistema ATC, hay que elegir portaherramientas y herramientas de corte estandarizados. Los sistemas de los centros de mecanizado están muy estandarizados y, por lo general, cumplen los requisitos ISO. Un portaherramientas conecta la amplia variedad de herramientas de corte al husillo, al cargador y al mecanismo de manipulación.
Tengamos en cuenta tres puntos:
Combinar dos series de portaherramientas en una misma máquina resulta antieconómico y difícil de gestionar. Las herramientas modulares tienen un coste inicial más elevado, pero ofrecen mayor flexibilidad cuando se adquieren como un sistema. Por ejemplo, una barra de mandrinar convencional de Ø60 puede costar unos 120 dólares estadounidenses, mientras que un conjunto modular compuesto por vástago, extensión y cabezal de corte puede superar los 200 dólares estadounidenses. Sin embargo, en el caso de un almacén de 30 herramientas, 30 vástagos modulares, entre 50 y 60 prolongaciones y entre 70 y 80 cabezales de corte pueden sustituir a 100 conjuntos integrados y simplificar la gestión informática. Las herramientas sencillas que se utilizan repetidamente sin necesidad de volver a montarlas, como los portabrocas, suelen resultar más económicas como unidades integrales.
En el caso de la producción en serie de varios miles a decenas de miles de piezas al año, una herramienta combinada que cueste entre tres y diez veces más que un portaherramientas estándar puede seguir estando justificada si sustituye a entre tres y cinco herramientas y agrupa varias operaciones en una sola.
La medición radial y axial de las herramientas debe realizarse fuera de la máquina siempre que sea posible, para no desperdiciar el valioso tiempo de funcionamiento del husillo en la configuración. Los dispositivos de preajuste pueden utilizar sistemas de medición ópticos, de rejilla o inductivos. Las versiones controladas por ordenador combinan un software de gestión de herramientas con soportes codificados en los portaherramientas.
Elige un presetador para herramientas de torneado, centros de mecanizado o universal cuyo cono del husillo sea compatible con la máquina CNC, de modo que las compensaciones medidas puedan introducirse directamente. Los presetadores están disponibles en versiones estándar y de precisión, y los modelos de gama alta alcanzan una precisión de medición cercana a los 0,001 mm. Esta precisión estática no garantiza el mismo tamaño mecanizado. Un orificio taladrado puede ser entre 0,01 y 0,02 mm más pequeño que el valor preajustado, dependiendo del estado de los bordes y del material, y la repetibilidad habitual de la carga del husillo puede aportar otra variación de entre 0,005 y 0,008 mm. Una tolerancia de taladro cercana a 0,01 mm puede seguir requiriendo un corte de prueba y un ajuste en la propia máquina. Un presetador debería servir para varias máquinas siempre que sea posible.
Una buena máquina por sí sola no garantiza el éxito técnico ni económico. Los nuevos usuarios también necesitan operarios cualificados, programadores y personal de mantenimiento mecánico y eléctrico.
Los fabricantes de máquinas ofrecen cada vez más servicios de asistencia antes y después de la venta, entre los que se incluyen el análisis de procesos de piezas típicas, pruebas de viabilidad, diseño de utillaje, programación, instalación, puesta en marcha, cortes de prueba y puesta en producción. La formación y la instrucción práctica para el personal de mantenimiento, los programadores y los operarios revisten especial importancia. Invertir en la capacitación del personal es esencial para utilizar eficazmente los equipos CNC.
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