Mecanizado de alta velocidad (MAV); una tecnología que encaja muy bien en la fábrica del futuro (FF)

Nuevos materiales, aleaciones avanzadas, y combinaciones de lo anterior con nanosistemas se van a ir extendiendo muy pronto. La razón es clara; el aprovechamiento para generar valor (precio diferencial en el mercado) en el producto por funcionalidad y fiabilidad incrementadas, necesitará aprovechar rápidamente los avances en todas ellas. Y todos ellos, en general, van a presentar nuevos y retadores problemas de industrialización para su fabricación eficiente y ágil.

Habrá multitud de materiales candidatos a constituir composites; no sólo plásticos, pues los metálicos en combinación con fibra o nanotubos de carbono tienen un potencial de reciclaje en general mayor.

Y también harán falta condiciones geométricas y físicas superficiales que la nanotecnología o la impresión 3D no podrán dar. En definitiva, que se seguirá necesitando mecanizar, y será bajo unas condiciones de proceso cada vez más exigentes. Es aquí donde aparece el MAV y su evolución.

Como sabemos, el mecanizado a alta velocidad sustituye la profundidad del corte (“pasada”) y la velocidad relativamente reducida del mecanizado tradicional, por justo todo lo contrario, pudiendo de esta manera mediante las herramientas adecuadas (p.e. diamante policristalino, que tiene el mejor ratio entre vida y coste) trabajar eficazmente superficies de gran dureza (como el titanio o la fibra de carbono), o de tendencia al embotamiento y viruta larga (como el aluminio).

Pero los problemas tecnológicos son mayores, tanto para diseñar las máquinas de MAV y elegirlas para un proceso a realizar, como para parametrizar éste último. Veamos por qué y cómo se resuelven estas dificultades.

La profundidad pequeña -o paso-, elimina las concentraciones de tensión (fatales en sistemas con fatiga, como aeronaves), y evita por lo tanto tratamientos térmicos costosos. Pero en cambio genera mucho más calor (función del cubo de la velocidad lineal de avance de la herramienta de corte), y además desaparece el amortiguamiento (“damper”)  de la vibración compleja que siempre se genera entre la estructura de la máquina y el propio proceso de corte. (La disminución del paso elimina sección útil de absorción de energía mecánica, y deja de ser una barrera para la transmisión de excitaciones periódicas).

El problema del calor es evitable con  un diseño adecuado del cabezal y de la geometría y material de la herramienta, así como por el diseño de un proceso adecuado de mecanizado cuya secuencia no lo acumule en zonas de más difícil evacuación. También es importante la geometría del sistema de sujeción pieza-máquina.

El segundo problema, el de la vibración, es más sutil. Si la frecuencia natural de vibración de la estructura coincide con la del corte (la frecuencia de giro del cabezal en una operación de fresado o torneado, p.e.), se produce un efecto de acoplamiento resonante que tiene una implicación en aumentar deformaciones del conjunto, y reducir dramáticamente la calidad superficial del mecanizado. Es el “chatter”.

Lo que ocurre en el MAV es que, al aumentar mucho la velocidad de giro de los cabezales, nos acercamos “por abajo”, e incluso sobrepasarnos, a la frecuencia natural de oscilación de la máquina. Y si además se trata de procesar piezas con paredes delgadas (que no actúan, por lo tanto de amortiguadores adicionales de la oscilación), la máquina trepidará y las piezas saldrán mal, con zonas irregulares propensas a la concentración de tensiones. Piezas posiblemente carísimas en material, porque son avanzadas, como decía al principio.

La solución al problema es conceptualmente sencilla. Como la frecuencia natural de la oscilación de una estructura es aproximadamente equivalente a: , donde K es la rigidez (de efecto “resorte”) y m su masa, el asunto estriba en hacer máquinas ligeras con materiales muy rígidos; por ejemplo de bancadas de material compuesto con fibra de carbono. De esta forma subimos esa frecuencia natural muy por encima de la de corte, y evitamos el problema.

Conceptualmente sencilla, pero una máquina-herramienta es una estructura mecánica enormemente compleja, con carácter tanto estático como dinámico, y con componentes entrelazados desde las bancadas, accionamientos, rodamientos, cadena cinemática, cabezal y herramienta.

Sólo mediante un análisis de Fourier sofisticado es posible llegar a determinar esa frecuencia natural f. La vía analítica por ecuaciones diferenciales dinámicas y de diferenciación es prácticamente inútil.

foto 1

Figura 1. Una máquina prismática y otra de arquitectura paralela

El MAV se puede realizar tanto para máquinas tradicionales (de arquitectura prismática o de conexión de mecanismos en serie en los ejes x, y,  z, en el dibujo de la izquierda), como de cinemática paralela, llamada así porque su concepción no se trabaja con mecanismos de accionamiento en “serie”, sino que se muevan de forma independiente, o “paralela” (dibujo de la derecha).

Si a esto se une un diseño apropiado de los accionamientos (tornillos sin fin o motores eléctricos lineales) de los vástagos que soportan el plato porta-herramientas, se consigue un efecto sorprendente en rigidez de la máquina-herramienta, elevando drásticamente su frecuencia natural f de vibración, y eliminando el peligro del “chatter”.

Para ello, (parte derecha de la FIG. 1) se hace que los únicos esfuerzos en esos vástagos de accionamiento sean de tracción y compresión, articulando con “cardanes” sus extremos, y foto 2haciendo coincidir los ejes geométrico, de esfuerzo, y de inercia, en toda su longitud.

Todo ello, hace que desaparezca cualquier pandeo y momento flector, y que los esfuerzos del corte no se acumulen “en serie”. Resultará una máquina ultra-rígida y además aligerada, como se puede apreciar comparativamente con la parte izquierda de la FIG. 1.

Figura 3. Hexápodo típico

Figura 3. Hexápodo típico

La FIG. 2 representa esquemáticamente el funcionamiento de una máquina paralela-tipo, y la FIG. 3 su realización práctica por excelencia: el hexápodo.

Este último, es utilizado en aplicaciones de gran compromiso de precisión del mecanizado de piezas estructurales para  satélites, propulsores y sus interfaces de packing, elementos de aceleradores de partículas como foto 4imanes superconductores y “blancos” de choque y, en general, componentes de máquinas de alta precisión, como las propias máquina- herramienta.

Finalmente, es interesante comentar que la arquitectura de una máquina paralela tiene cierta similitud con la de los robots antropomórficos (humanoides), francamente diferentes en su mecánica a los tradicionales que se basan en movimientos encadenados en serie.

El potencial de precisión –con la adecuada rigidez de sus partes– es muchísimo mayor, pero para garantizarlo deben tomarse ciertas precauciones. En la tabla siguiente figuran las características de los movimientos de “aproximación” y “trabajo” de este tipo de máquinas.

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Tabla 1. Características cinemáticas y dinámicas de los movimientos de aproximación y trabajo con una pieza

Podemos observar que al operar sobre la pieza, como es lógico, la frecuencia de actuación del lazo de regulación aumenta. Y como aquella se dará con pares pequeños y esfuerzos medianos (recordar que hablamos de alta velocidad y robótica antropomórfica), nada se romperá, pero lo que sí existe es el peligro de que una alta frecuencia del PID del CN, se iguale a alguna frecuencia natural de los elementos de la estructura de la máquina (que son muchos más, y más continuos, función exponencial de sus grados de libertad), y la precisión del trabajo caiga drásticamente.

Para minimizar este efecto, interesará que el CN haga una pequeña pausa (inapreciable para el observador) entre los movimientos de aproximación y trabajo, para que así no se solape ningún armónico, y evitemos que las actuaciones del control creen sobrepasamientos y exciten frecuencias naturales.

También se puede ayudar haciendo algo de damping” con elastómeros de alta rigidez en las articulaciones “cardan”.

En la robótica antropomórfica (FIG. 4) este fenómeno es más probable y exagerado al manejar muchos más grados de libertad (unos 50 contra, a lo sumo, una quincena de ellos en los hexápodos).

Siempre que se consigan resolver estos retos tecnológicos, las máquinas herramientas de alta velocidad estarán preparadas para la fábrica del futuro con una capacidad de fabricación 6Sigma en un rango estrecho de tolerancias, y hacer productos muy precisos.

Finalmente decir que una simple regla de tres (aplicando la  fórmula del lote óptimo de Wilson, L=Sqrt(K.T), L como lote o su tiempo de mecanizado, y T como tiempo de cambio), supone que, si en MAV el tiempo de mecanizado tiende a ser considerablemente menor, también debe serlo el tiempo de cambio, al menos, en una relación de cuadrado con aquella. Por ejemplo, si el tiempo de mecanizado se reduce a 1/3, el de cambio debe ser 9 veces menor. Esto supone, en general, que de pieza a pieza, no se tarden más de 5 segundos, y de material a material menos de 30 seg. Esta agilidad es coherente con la FF.

Como conclusión diría que el MAV va a tener un interesante papel en la fábrica del futuro y, además, va a reforzar la necesidad de conocimiento tecnológico distribuido hasta el nivel de operadores porque, aunque muy efectiva y dotada de  inteligencia, requiere de una definición y mejora de los procesos delicada y profunda, y además holística.

Así que contribuye a crear la esencial figura que en aquella es el “ingeniero distribuido” y a utilizar necesariamente al “Aula-Lab” con regularidad.

Figura 5. Aula - Lab

Figura 5. Aula – Lab


Autor:

Javier Borda Elejabarrieta, Dr. I.I., Msc. y MBA; Presidente y C.E.O. de Sisteplant. Profesor de la ETSII de Bilbao (Aula Aeronáutica) y de la Universidad Juan Carlos I, (logística para Defensa).


 

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