Procesos híbridos para la generación de acabados en piezas metálicas

Los procesos híbridos, como el rectificado asistido por ultrasonido y la combinación del rectificado con procesos de manufactura aditiva en una sola máquina, ahora marcan la dirección de los procedimientos clave en la fabricación de productos de alta calidad. En este artículo el autor presenta algunas de las características de estas tendencias para la generación de acabados en piezas metálicas.

Conforme las diferentes tecnologías de maquinado evolucionan y los procesos de producción se hacen más complejos y especializados, también surge la oportunidad de establecer procesos híbridos y combinados con la finalidad de que, en una sola máquina, se pueda generar la manufactura de un producto completamente terminado. La expectativa de mejora en productividad y calidad se incrementa con ello al tiempo que se logra la flexibilidad requerida en la ecuación volumen/mezcla. El rectificado no es la excepción y a continuación enumeramos algunos de los aspectos clave a observar en este proceso evolutivo.

Vibraciones ultrasónicas

Esta es una tecnología relativamente reciente en la que se logra una superposición entre el rectificado convencional y una vibración (típicamente en el rango ultrasónico). En esta área el proceso más conocido es el del rectificado rotativo asistido por ultrasonido (RUAG, por su abreviatura en inglés), en el que se usan herramientas tubulares (cilíndricas) con granos de diamante en matriz metálica. Este proceso está montado usualmente en máquinas CNC de fresado de tres o más ejes. Dependiendo de los parámetros de mecanizado, las condiciones en que los granos duros interactúan con el material cambian drásticamente con respecto al rectificado convencional. Debido a la vibración, el contacto con la pieza de trabajo toma una trayectoria sinusoidal y la penetración se vuelve mucho más como un proceso de impacto (1) . Figura 1

La empresa DMG Mori es una de las que está posibilitando el mecanizado de este tipo para productos con geometrías complejas en materiales de alta tecnología como cerámicos, vidrios, corundio, carburos de tungsteno e incluso compuestos. Gracias a la sobreposición cinemática de la rotación de la herramienta con oscilación adicional paralela al eje, genera reducciones de fuerzas de procesamiento de hasta un 40% en comparación con procesos tradicionales. Esto permite que para la misma herramienta se puedan tener avances y velocidades de corte mayores, una mayor vida de la herramienta y acabados superficiales mejores.

El concepto de maquinaria con husillos asistidos por ultrasonido de DMG Mori está basado en equipos multitarea de cinco ejes, en los que se puede fresar, tornear, taladrar y rectificar usando esta tecnología híbrida entre el mecanizado tradicional y la asistencia vibratoria de alta frecuencia. Los husillos de gran precisión y rigidez ofrecidos para el mecanizado pueden girar hasta 60,000 rpm logrando así realizar tareas de HSC (mecanizado de alta velocidad, por su abreviatura en inglés). A su vez, las mesas de trabajo pueden girar hasta 1500 rpm, lo que permite realizar tareas de rectificado y cilindrado interno de piezas de alta complejidad.

Las oscilaciones generadas por el husillo presentan amplitudes en el orden de los 10 µm, teniendo en cuenta que esta debe ser mayor que el tamaño promedio de las pequeñas virutas retiradas por el proceso. Esto para garantizar que se tiene un contacto intermitente entre la pieza y la herramienta.

Los materiales del futuro

Gracias a la reducción de fuerzas de procesamiento debido a la cinemática de las herramientas, se pueden producir piezas de paredes aún más delgadas, pensando en estructuras de bajo peso. De igual manera, al reducir el efecto de las fuerzas de corte en el material y por ende disminuyendo el calentamiento de las piezas de trabajo, se reduce la presencia de micro-grietas y esfuerzos residuales que son críticas en materiales cerámicos o compuestos.

Un efecto interesante de la vibración generada por el resonador ultrasónico es que las partículas removidas salen del área de trabajo mucho más fácilmente que con los procesos tradicionales, evitando que se acumule material en las herramientas de rectificado.

Frank Ostertag, planificador de producción de CeramTec GmbH, una firma que produce piezas técnicas en materiales cerámicos para industrias aeronáuticas, médicas, electrónicas, entre otras, declara que “comparado con los procesos multi-etapa en máquinas de rectificado tradicionales, con discos de rectificado de muy altos costos, nosotros hemos mejorado la precisión, flexibilidad y costos, y al mismo tiempo, hemos reducido los tiempos de entrega”, utilizando la tecnología híbrida de rectificado ultrasónico. Figura 2

Una industria que en un futuro cercano comenzará a beneficiarse bastante de este desarrollo es la de los moldes de inyección. El uso de materiales plásticos cada vez más abrasivos debido al uso de rellenos de fibras de materiales de alta dureza, hace que los moldes tengan un desgaste cada vez mayor. Los aceros que se utilizan para su fabricación deben ser endurecidos a niveles cada vez mayores por lo que sus procesos de acabado superficial se hacen más complejos. El uso de tecnologías híbridas o complementarias, en las que en una misma máquina se puede hacer su proceso de fresado duro y de rectificado para geometrías complejas, sin necesidad de re-configurar la pieza, trae grandes ventajas, no solo desde el punto de vista de productividad, sino de precisión.

También es sabido que, en la tendencia a fabricar piezas plásticas cada vez más pequeñas, los materiales necesarios para elaborar los moldes deben ser cambiados por aquellos que brinden conductividades térmicas más bajas, para evitar que el plástico en volúmenes tan pequeños se solidifique antes de llenar la pieza, o que se cristalice en proporciones indeseadas. Aquí se están comenzando a utilizar cerámicos de ingeniería que prestan la doble función de tener una excelente resistencia a la abrasión y una baja tendencia a transportar calor rápidamente. El problema de su mecanizado a niveles altos de precisión y de manera económicamente viable se comienza a solucionar gracias a la presencia de procesos de manufactura como el del rectificado ultrasónico basado en máquinas de cinco ejes.

La tecnología por dentro

Los sistemas de control de estas máquinas permiten automatizar una selección de parámetros que normalmente tiene bastante complejidad. Se trata de la selección de la frecuencia de oscilación y de la amplitud de la misma a la que se puede trabajar de manera óptima, dependiendo de las condiciones de trabajo. Esto incluye que la máquina debe poder detectar y controlar cuando las condiciones de amortiguación cambian y se comienza a generar algún efecto de resonancia que pueda afectar la pieza o la herramienta. Además de esto, las máquinas presentan un rango de ciclos de trabajo en los que se pueden escoger diferentes amplitudes de oscilación para tareas como el ingreso a la pieza, la operación de rectificado y la salida de la pieza.

Un tema adicional que permite controlar el sistema es el de los parámetros de corte, como avance y velocidad, basados en el monitoreo constante del torque o de la potencia del husillo. Al programar un rango de operación aceptable para la herramienta, el control puede manejar los parámetros de corte para que mantengan un proceso estable.

Combinación de procesos

La manufactura aditiva por sinterizado o fundición de polvos metálicos aún no tiene la capacidad de entregar productos con la precisión geométrica final necesaria en industrias como la de los moldes, o en el área de la aeronáutica o de componentes para la generación energética. Las piezas “impresas en 3D” aún necesitan postprocesamiento en zonas donde se necesiten buenas rugosidades superficiales, roscas, asientos para sellos, etcétera. Esto se consigue en algunos casos a través del fresado, pero cuando los requerimientos de precisión son altos, o cuando los materiales son de difícil mecanizado, como en el caso de aleaciones de titanio o de níquel, el proceso a escoger para lograr el acabado es el del rectificado.

Pensando en esto la compañía Elb-Schliff presentó en la recientemente culminada feria IMTS de Chicago, una interesante línea modular de maquinaria denominada millGrind. Este concepto permite tener procesos de corte definido de material como el fresado, procesos de adición de material, como la soldadura por deposición láser, e incluso procesos de medición, mediante la instalación de cabezales especializados disponibles en un magazín, de manera paralela al proceso de rectificado. Figura 3

Entre las justificaciones para este desarrollo está por supuesto el ahorro en capital de trabajo y espacio, al igual que la disminución de tiempo de procesamiento debido a cambios y configuraciones de pieza.

Según el Dr. Markus Stanix, gerente general de Elb-Schliff, “esta construcción modular se puede entregar tanto en máquinas de rectificado plano como en ejemplares complejos de rectificado de perfiles”. El chasís de la máquina está fabricado en dos partes en fundición mineral las cuales se pegan en un proceso posterior. Para el funcionamiento de los procesos complementarios como el fresado, es una ventaja que el sistema esté basado en la rigidez estructural, capacidad de absorción de vibraciones y alta estabilidad térmica de un chasis desarrollado para el proceso de rectificado, que generalmente está pensado para alcanzar alta precisión geométrica a pesar del movimiento continuo de grandes masas, como el disco de rectificado y el balanceo de la mesa de trabajo.

Según el Dr. Stanik, “con el cabezal láser se pueden realizar funciones de temple, marcado y de soldadura por deposición láser”. Esta máquina está desde hace un año en el mercado y se encuentra utilizada en aplicaciones para la industria aeronáutica y la de herramental (moldes y troqueles), en las que existen piezas que luego de ser construidas por el proceso de soldadura láser de polvos, se rectifican en un paso siguiente en la misma máquina, llegando a las condiciones de rugosidad superficial y precisión geométrica finales requeridas. Figura 4

A medida que los procesos de manufactura avanzan de manera individual, se vuelve más importante el análisis claro, por parte de los ingenieros de producción, de lo que pasa entre cada uno de los pasos de una cadena de manufactura. Los procesos híbridos y combinados, que permiten llegar hasta el producto completamente terminado en una sola máquina, están dando la opción de aumentar la productividad y mejorar la calidad de productos en una industria que cada vez apunta más a la individualización y reducción en el número de piezas por cada lote de producción. Tener al rectificado, como proceso final en la mayoría de cadenas de producción, dentro de las opciones disponibles en los procesos híbridos es una excelente noticia y debe ser rápidamente considerada.

(1) Bert Lauwers, Fritz Klocke, Andreas Klink, A. Erman Tekkayac, Reimund Neugebauerd, Don Mcintoshe, Hybrid processes in manufacturing, CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 63, Issue 2, 2014, Págs. 561–583