¿De qué depende la precisión en el fresado de 5 ejes?

El fresado de 5 ejes es un método de mecanizado del que se puede sacar mucho provecho si se entiende qué afecta la precisión del proceso y se hacen los ajustes respectivos. En esta primera entrega, se explorará la temática de la precisión de los ejes rotativos.

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Muchas veces nos inclinamos hacia la maquinaría más nueva y completa que nos permita la manufactura de piezas con el menor tiempo y la mayor precisión posible y podemos llegar a creer que, debido a la tecnología de punta que es utilizada en estas máquinas, estas asegurarán una alta precisión sin necesidad de que sean intervenidas o ajustadas de manera considerable por nosotros.

Después de todo, para eso hacemos grandes inversiones de capital en la maquinaría más costosa, ¿no? Esto también puede ser el caso para el fresado de 5 ejes, pero, sin embargo, hay ciertos factores que influencian la precisión en este mecanizado y es vital entenderlos para poder intervenir la máquina (cuando sea necesario) para asegurar esa anhelada precisión en las piezas como debe ser.

El proceso de fresado de 5 ejes

El fresado CNC de 5 ejes se basa en el maquinado de una pieza con ayuda del control numérico por computador (CNC). La particularidad de este proceso reside en la posibilidad de controlar 5 ejes con respecto a la mesa de trabajo y la pieza que va a maquinarse: 3 ejes cartesianos (horizontal (x), vertical (y) y de profundidad (z), sumados a dos ejes rotacionales. Dependiendo de las necesidades y requerimientos de la pieza que vaya a mecanizarse se pueden tener diferentes configuraciones de los ejes rotacionales. Las 2 más comunes son las siguientes:

• La fresadora CNC de 5 ejes estilo muñón utiliza el eje A (inclina sobre el eje X) y el eje C girando sobre el eje Z. El eje A inclina la pieza y el eje C la gira. Dependiendo del fabricante de la máquina, el eje de volteo o inclinación también podría etiquetarse como B si inclina la pieza sobre el eje Y. En esta configuración la pieza se puede fijar fácilmente en una superficie horizontal. Además, la pieza se puede fijar de modo que su centro de masa quede aproximadamente en la línea central del eje A, lo que reduce las fuerzas de torsión rotatorias requeridas, disminuyendo así posibles problemas de deformación en la pieza fabricada.

• La fresadora CNC de 5 ejes con husillo inclinable utiliza el eje B (que gira sobre el eje Y) y el eje C que gira sobre el eje Z. El eje B inclina la herramienta y el eje C gira la pieza. Esta configuración es útil para piezas de gran tamaño, ya que no es necesario inclinar la pieza dinámicamente, aunque el husillo basculante pierde algo de rigidez. 

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Otras configuraciones incluyen el sistema de portal, en las que los dos ejes rotativos se encuentran directamente en el husillo. Esta es la más usada para piezas de gran tamaño que no pueden ser colocadas en mesas rotativas.

El fresado en 5 ejes presenta un número de ventajas respecto al fresado tradicional de 3 ejes. Entre estas se encuentran la posibilidad de realizar una sola configuración única previa al maquinado de una pieza compleja (debido a que se cuenta con mayor libertad de movimiento gracias a los 2 ejes de rotación), el poder trabajar con herramientas de corte más cortas (dando como resultado un mejor acabado superficial) y una mayor precisión en el maquinado de piezas complejas.

La importancia de controlar el movimiento rotacional 

Ahora, respecto a los ejes rotacionales, hay 3 componentes clave que entran en juego para comprender las implicaciones que esto trae a la precisión del fresado de 5 ejes: La mesa de trabajo, los motores de rotación y los codificadores (para la realimentación del sistema de control de la máquina – denomidados encoders, en inglés). Es crucial saber qué se está monitoreando en la máquina con los codificadores y en qué están aportando estas mediciones a mejorar la precisión de mi fresado de 5 ejes. Comprender qué factores podrían afectar la precisión general de este proceso de mecanizado es fundamental para crear una pieza de trabajo precisa.

El impacto de los ejes rotativos en la precisión

En primera instancia, se debe tener en cuenta lo que sucede con los componentes mecánicos que se mueven y la manera en la que se están monitoreando con los codificadores. En la mayoría de las máquinas estilo muñón, el eje C (que gira alrededor del eje Z) rota por la acción de un tornillo sinfín mecánico que está unido a un eje y gira por el motor. A medida que estos componentes mecánicos comienzan a calentarse por el uso continuo durante la ejecución del programa de mecanizado, las imprecisiones se empiezan a incluir inherentemente en la mezcla de los factores que influyen. Si el codificador está montado en el extremo del eje del motor y solo monitorea los movimientos del eje del motor. Por tanto, la posición angular de la superficie de trabajo real no se está monitoreando. En consecuencia, el control no está compensando los errores de posición que en esencia están presentes y la precisión de la herramienta de corte va a sufrir. Sin embargo, si el codificador se monta de tal manera que controle la posición real de la mesa, el posicionamiento incorrecto del eje (debido a la acumulación de calor en los componentes mecánicos) se monitoreará correctamente y se podrán hacer correcciones por parte del sistema de control para compensar estos desfases.

Los codificadores también tienen tolerancias

Por otro lado, cuando se trabaja con el fresado de 5 ejes, es importante que recordemos que en realidad hay dos ejes de rotación separados (que están esencialmente apilados uno sobre el otro) y dado que a cada eje individual se le permite cierta tolerancia de posición, esto también puede afectar la precisión general de la pieza de trabajo y debe ser considerado a la hora de monitorear (con ayuda de los codificadores) y tener en cuenta esta tolerancia de posición de los ejes para hacer el ajuste respectivo.

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Este diagrama presenta muestra cómo se ve afectada la precisión de la posición cuando se aumenta la distancia radial al centro de rotación del eje donde está ubicado un codificador rotacional.

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Adicional a lo anterior, vale la pena analizar el significado de las tolerancias del codificador. Por lo general, las tolerancias de un codificador rotatorio se especifican en segundos de arco: es decir: ± 1.5 segundos de arco, ± 3 segundos de arco, etc. Un segundo de arco es básicamente 1/60 de un minuto de arco, o 0.0003°. Es importante recordar que estas especificaciones de tolerancia se miden desde el centro de rotación de un eje en particular. Esto significa que cuanto más lejos del punto de rotación se esté midiendo, una posición angular incorrecta será más medible y, por lo tanto, menos preciso será el posicionamiento de alguna característica particular en una pieza, debido al aumento en la resolución mínima que podrá medir el codificador.

Ajustes automáticos en 5 ejes

Complementando el correcto uso y ubicación de los codificadores, existen otros factores que pueden afectar el rendimiento de la máquina y, por ende, la precisión: errores inducidos por la fuerza de corte y el desgaste de las herramientas. Por ejemplo, las propias máquinas pueden moverse con el movimiento general de la operación, y esto a veces puede hacer que la máquina ya no se asiente nivelada con el piso del taller (como debería ser). Cuando esto ocurre, los operadores deben realizar ajustes geométricos en sitio para compensar cualquier error. Este proceso, realizado de manera manual, puede tomar hasta 5 hr en total, cada vez que debe hacerse el ajuste. Sin embargo, la tecnología de ajuste automático de cinco ejes puede realizar estas calibraciones automáticamente en 5 a 15 min.

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Este diagrama presenta cómo puede disminuir considerablemente el tiempo de medición y mejorar en la precisión alcanzada con el sistema de ajuste automático de 5 ejes.

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¿Cómo funciona esta tecnología de ajuste? El proceso de ajuste automático consiste en ajustar automáticamente el error geométrico en los centros del mecanizado de 5 ejes, utilizando una sonda de contacto y una bola de herramienta (esfera de referencia). Primero, se coloca la bola de herramienta en el centro de la mesa de mecanizado y el software identifica el número de puntos a medir. Los requisitos de la tolerancia de las piezas terminadas indicarán la precisión con la que debe ajustarse la máquina. Cuantas más medidas se tomen, más precisa será la afinación, pero también más largo será el proceso de autoajuste. Una vez que se han identificado todos los puntos de medición, se indica qué número de herramienta contiene la sonda de medición y se presiona el botón de inicio, así el sistema de ajuste automático comenzará a sondear y medir. La máquina empieza girando por cada eje de rotación y tomando las medidas indicadas. Todos los puntos se prueban automáticamente y se realizan cálculos matemáticos. El proceso completo puede demorar hasta 15 min y, debido a que el proceso está automatizado, es fácil de entender para el operador a cargo. De esta manera, los fabricantes pueden revisar y corregir la máquina en cualquier momento que lo necesiten, asegurando precisión y productividad a la par que se minimiza el tiempo de inactividad, que se traduce en más ganancias.

Sistemas de medición del rendimiento estandarizados

Calificar el rendimiento en términos de precisión de las máquinas fresadoras de 5 ejes puede ser complejo. En la actualidad existen algunos sistemas que permiten medir la precisión de la máquina (teniendo en cuenta los factores que la afectan) y dar una calificación acerca del rendimiento de esta. Uno de estos es el sistema de medición “Rotary Inspector” de IBS, que permite una rápida evaluación y corrección del rendimiento cinemático de la fresadora de 5 ejes. Este sistema está diseñado para determinar y corregir parámetros críticos de rendimiento con la precisión y la velocidad necesarias para integrarse en el programa de producción. Basado en medidas ISO estándar, el “Rotary Inspector” ofrece una medición totalmente automatizada en menos de un minuto para derivar la precisión total de la herramienta de corte. También calcula las compensaciones de la línea de pivote y los errores de cuadratura. El sistema ofrece un informe de calidad estándar, a partir de una medición dinámica de 5 ejes según la norma ISO 10791-6, con resolución de 0.2 μm y con un tiempo de medición en menos de 1 min. Todo esto simplifica la gestión de calidad interna de las máquinas y proporciona un documento auditable del estado de la máquina.

Si bien hay un número de factores que afectan deben tenerse en cuenta a la hora de asegurar la precisión de la máquina y la herramienta de corte, si se mantiene un monitoreo completo de los puntos más importantes en la máquina (de nuevo, con ayuda de los codificadores) y con base en esto el sistema de control es capaz de hacer las modificaciones que compensen cualquier desfaz que ocurra, es completamente viable tener un sistema de mecanizado muy preciso y en capacidad de trabajar con piezas de altas especificaciones y requerimientos dimensionales. Armado con el conocimiento adecuado y aplicado correctamente con buenas prácticas de mecanizado, el fresado de 5 ejes puede llegar a ser un verdadero cambio revolucionario en el mundo altamente competitivo de la fabricación.