En este artículo nos centraremos en los distintos tipos de fresadoras CNC, tornos y la combinación de éstos.

¿Qué es una máquina CNC?

El mecanizado CNC significa control numérico por ordenador y, básicamente, significa que una máquina está controlada por un conjunto de comandos de un controlador. Este código se presenta normalmente en forma de una lista de coordenadas conocida como «G-code». Cualquier máquina controlada por este código puede denominarse máquina CNC, ya sea una fresadora, un torno o incluso una cortadora de plasma.

En este artículo nos centraremos en diferentes tipos de fresadoras CNC, tornos y la combinación de estos. El movimiento de las máquinas CNC se puede definir por sus ejes; estos son X, Y y Z con ejes A, B y C para máquinas más avanzadas.

Los ejes X, Y, Z se refieren a los principales vectores cartesianos y los ejes A, B, C se refieren a la rotación sobre estos ejes. Las máquinas CNC suelen funcionar hasta en 5 ejes. A continuación se enumeran las máquinas CNC típicas.

• Torno CNC – Un torno funciona haciendo girar el material en el plato del torno. A continuación, se mueve una herramienta en 2 ejes dentro del trabajo para cortar piezas cilíndricas. Un torno CNC puede crear superficies curvas que serían difíciles, si no imposibles, en un torno manual. La herramienta no suele girar, pero también puede moverse, como en el caso de las «herramientas vivas».
• Fresadora CNC – Una fresadora CNC se utiliza normalmente para fabricar piezas planas, aunque las máquinas más complejas con más grados de libertad pueden crear formas complejas. El material se mantiene fijo y el husillo gira con la herramienta, que se mueve a lo largo de 3 ejes para cortar el material. En algunos casos, el husillo es fijo y el material se mueve hacia él.
• Taladro CNC – Estas máquinas son similares a las fresadoras CNC, pero están especialmente diseñadas para cortar sólo a lo largo de un eje, es decir, el taladro sólo se mueve por el eje Z en el material y nunca corta a lo largo de los ejes X e Y.
• Rectificadoras CNC – Estas máquinas mueven una muela en el material para crear acabados superficiales de alta calidad. Están diseñadas para arrancar pequeñas cantidades de material en metales endurecidos; por tanto, se utilizan como operación de acabado.

Fabricación sustractiva

El mecanizado CNC crea piezas mediante la fabricación sustractiva. Se trata básicamente del proceso de eliminación de material de un tocho sólido para llegar a la forma deseada. Esto puede hacerse mediante cualquiera de los métodos mencionados anteriormente, como el fresado, el torneado, el rectificado o el taladrado.

La fabricación aditiva es el proceso opuesto, en el que se añade material desde la nada para crear la pieza, por ejemplo con impresoras 3D.

Herramientas

La herramienta realiza todo el trabajo de corte. Las herramientas suelen montarse en un portaherramientas y se cargan en el husillo cuando se necesitan. Se necesitan muchos tipos diferentes de herramientas para fabricar una pieza completa: no existe un enfoque de fabricación de «talla única». A continuación se enumeran las herramientas más comunes utilizadas en una configuración típica de mecanizado.

Herramientas de fresado

• Fresa – La fresa es el tipo de herramienta más común y normalmente puede cortar en tres direcciones. Existen varios estilos, como plano, de radio de esquina, de desbaste, de bola y cónico, por nombrar algunos. Se caracterizan por el número de canales, los ángulos de hélice, el material base y el material de recubrimiento.
• Fresa de refrentar – Una fresa de refrentar está diseñada para cortar a través de una gran superficie, es decir, refrentar. Sus filos de corte suelen estar en el borde de la herramienta y los dientes suelen ser insertos de carburo.
• Fresa de rosca – Una fresa de rosca está diseñada para crear roscas, funciona por rotación alrededor del vástago en un patrón helicoidal para cortar en la forma de la rosca.
• Fresa de ranurar – Este tipo de fresa se utiliza para crear ranuras en T a lo largo de una pieza. La herramienta debe entrar y salir por un lado abierto del material debido a su geometría.

Herramientas para tornos

• Torneado de D.E. – Como su nombre indica, este utillaje está diseñado para cortar en el diámetro exterior de la pieza. Puede adoptar la forma de herramientas sólidas rectificadas con la forma deseada o de plaquitas de metal duro.
• Ranurado y roscado de diámetro interior (D.I.) – Estas herramientas suelen ser delgadas para poder llegar al interior de la pieza y taladrar el diámetro interior después de la perforación, así como para roscar el interior.
• Separación – Una herramienta de separación se utiliza para cortar la pieza como una operación final después de que todas las demás operaciones se hayan completado.
• Perforación – Se utilizan para perforar agujeros longitudinales a la pieza, los agujeros todavía tienen que ser escariados o perforados para alcanzar las tolerancias finales.

Material de las herramientas

Los diferentes tipos de herramientas pueden subdividirse en materiales. A continuación se enumeran los materiales que se suelen utilizar para el utillaje:

• Acero de alto carbono – Son el tipo más barato de la máquina herramienta, pero no tienen una larga vida útil. También pierden su dureza a unos 200°.
• Acero de alta velocidad (HSS por sus siglas en inglés) – Son más comunes que las herramientas de acero al carbono, ya que tienen una vida útil más larga y sólo pierden su dureza a 600°C, lo que significa que pueden cortar a velocidades más altas.
• Insertos de carburo – Las herramientas de carburo cementado son más duras que las de HSS, pero son menos resistentes y pueden fracturarse si no se manejan correctamente. Pueden soportar temperaturas de hasta 900°.
• Cerámica – Estas herramientas de corte son extremadamente duras y suelen reservarse para cortar materiales duros a temperaturas muy elevadas. Existen dos variantes comunes: la alúmina y el nitruro de silicio.
• Nitruro de Boro Cúbico – Estas herramientas son ideales para aceros endurecidos y superaleaciones y tienen una excelente resistencia a la abrasión y al calor.

entajas e inconvenientes del mecanizado CNC

El mecanizado CNC se ha ido imponiendo poco a poco en la industria manufacturera, ya que es sencillamente más eficaz que el uso de máquinas manuales. A continuación se enumeran algunas de las ventajas y desventajas de las máquinas CNC.

Tipos de fresadoras y tornos CNC

Fresadoras CNC

• Centro de mecanizado vertical (CMV) – El husillo de un CMV permanece en una posición y la mesa se mueve por debajo de él. En algunos casos, la mesa se mueve hacia arriba para encontrarse con el husillo o el husillo puede moverse hacia arriba y hacia abajo en el eje Z. Estas máquinas son muy rígidas y, por tanto, pueden producir componentes de gran precisión. Tienen la desventaja de tener un área de trabajo relativamente pequeña. Los CMV pueden tener 3 ejes (X, Y, Z), 4 ejes (X, Y, Z y A) o incluso 5 ejes (X, Y, Z, A y B).
• Centro de mecanizado horizontal (CMH) – Un CMH es una máquina cuyo husillo está orientado horizontalmente en lugar de verticalmente. Este tipo de máquinas son ideales para las series largas de producción, ya que pueden mecanizar hasta 3 veces más que un CMV, siempre que haya suficiente trabajo para mantener la máquina ocupada. Un CMH es también mucho más caro que un CMV. Se puede fijar un bloque de material en la bancada de la máquina mientras se fabrica otra pieza. Por eso es posible la producción continua, ya que el husillo puede pasar fácilmente al siguiente bloque de material que esté listo y el cambio es muy rápido.

Torno CNC

Un torno CNC sólo es capaz de mecanizar en dos ejes con un solo plato. Hay varios tipos de tornos CNC como se indica a continuación:

• Torno de motor – Se trata básicamente de un torno estándar que es relativamente versátil. El «motor» en el nombre es una reliquia de cuando los tornos solían ser impulsados por poleas de un motor que no estaba en la máquina. Un torno con motor sería entonces un torno con el motor en el torno.
• Torno de torreta – Un torno de torreta permite tiempos de producción mucho más rápidos, ya que todas las herramientas necesarias se cargan en la torreta antes de la fabricación. Cuando se necesita una nueva herramienta, simplemente se gira hasta su posición.
• Torno de sala de herramientas – Un torno de sala de herramientas se utiliza para trabajos de alta precisión y bajo volumen. Como su nombre indica, estos tipos de tornos se utilizan para crear herramientas y troqueles. También está configurado para ser muy versátil.
• Torno rápido – Este tipo de torno se utiliza principalmente para trabajos ligeros, tiene una configuración simple con cabezal, contrapunto y poste de herramientas.
• Centros de torneado CNC – Estos tipos de tornos son muy avanzados y tienen una amplia gama de características que incluyen el fresado, los puestos de herramientas de torreta e incluso un segundo husillo. También existen centros de torneado verticales y horizontales. Un torno horizontal hace que todas las virutas caigan fuera de la pieza y en el transportador de virutas, y un torno vertical permite que la gravedad ayude cuando una pieza se asienta en el plato. Los tornos horizontales son más fáciles de automatizar. Es la aplicación la que determinará qué estilo es más aplicable.

Materiales

Las máquinas CNC pueden manejar una amplia gama de materiales, desde el aluminio hasta las superaleaciones como el Inconel. Cada material tiene sus propios retos y requiere herramientas, velocidades y avances específicos.

Aluminio

Dado que el aluminio es un material muy blando, existe el riesgo de que el aluminio engrane la herramienta de corte. Esto se debe a la baja temperatura de fusión del aluminio. Para mejorar la maquinabilidad del aluminio se pueden utilizar temple más duros.

Acero al carbono

Debido al gran número de grados de acero, hay muchos factores que contribuyen a la maquinabilidad general del material. Estos factores pueden ser: el trabajo en frío, la composición química y la microestructura. En general, elementos como el plomo y el estaño pueden mejorar la velocidad de corte debido a su acción lubricante, y el azufre reducirá el endurecimiento por deformación de la viruta.

Titanio

El titanio tiene una amplia gama de aleaciones, cada una de las cuales presenta sus propios retos. Lo ideal es que la herramienta se mantenga acoplada al material, ya que si se detiene en una zona se producirá rozamiento, acumulación de calor, endurecimiento por trabajo y desgaste de la herramienta.

El titanio puro se comporta como el aluminio y también puede atascar la herramienta de corte, mientras que sus aleaciones suelen ser mucho más duras y pueden provocar la acumulación de calor y el desgaste de la herramienta. Unas revoluciones más bajas y una mayor carga de viruta pueden dar lugar a una mayor vida útil de la herramienta debido a la disminución de las temperaturas.

Superaleaciones

Las superaleaciones están diseñadas para tener una resistencia muy elevada a altas temperaturas, por lo que son muy difíciles de mecanizar. También se necesitan máquinas de mayor potencia para mecanizar estos materiales. Las superaleaciones tienden a endurecerse muy rápidamente, lo que dificulta las futuras operaciones de mecanizado. Normalmente se recomiendan velocidades de corte más bajas.

Cobre

El cobre es un material notoriamente difícil de mecanizar debido a su maleabilidad y su tendencia a fluir alrededor de las herramientas en lugar de cortar. Se utiliza principalmente para componentes eléctricos y componentes de intercambiadores de calor que requieren una alta conductividad y coeficientes de transferencia de calor.

Las altas velocidades y los avances tienden a funcionar bien con el cobre puro. Las aleaciones de cobre se mecanizan mucho más fácilmente que el cobre puro.

Plásticos

El plástico tiene miles de formas diferentes, desde los plásticos termoestables hasta los termoplásticos normales. También hay una gama increíblemente amplia de durezas y propiedades mecánicas. Sólo los plásticos rígidos se mecanizan bien y pueden mantenerse dentro de la tolerancia, mientras que los plásticos más blandos tienden a deformarse más allá de la herramienta de corte y dan lugar a piezas que no cumplen las especificaciones dimensionales.

El calor tiende a acumularse en el borde de corte debido a que el plástico es un aislante, y si no se tiene cuidado, el plástico se fundirá.

¿Qué puede salir mal?

A pesar de la amplia gama de usos y funcionalidades que pueden alcanzar las máquinas CNC, existen riesgos. A continuación se enumeran algunos de los errores más comunes que se cometen en el mecanizado CNC.

Choques CNC – Las máquinas de CNC son irreflexivas; sólo hacen lo que se les dice. Si se programan de forma incorrecta, la máquina puede clavar una herramienta de corte en un milisegundo. Las máquinas suelen detectar un choque y la máquina se detendrá, pero el daño ya estaría hecho. Hay varias herramientas de software que pueden mitigar este riesgo.

Las trayectorias de las herramientas pueden simularse antes de cargar el código en la máquina. Las máquinas más complejas de 5 ejes son muy difíciles de simular con el software estándar de fabricación asistida por ordenador (CAM) y requieren un software adicional entre la codificación CAM y la carga del código en la máquina.

Velocidades y avances incorrectos – Las velocidades y los avances son fundamentales para crear componentes mecanizados de calidad. Si se utilizan los ajustes incorrectos, se producirá un desgaste acelerado de la herramienta y acabados superficiales y tolerancias inferiores. Este es un tema complejo ya que cada material y sus aleaciones tienen diferentes ajustes para el corte ideal. A menudo se necesitan varias iteraciones para alcanzar el ajuste perfecto.

Falta de mantenimiento – Como con cualquier pieza de maquinaria compleja, la falta de mantenimiento puede destruirla rápidamente. Las máquinas deben mantenerse limpias y el plan de mantenimiento del OEM debe cumplirse estrictamente.

Industrias clave que utilizan el CNC

Cualquier industria que requiera la fabricación de componentes se ve afectada por el mecanizado CNC directa o indirectamente. A continuación se enumeran algunas de las principales industrias y sus usos del mecanizado CNC.

Industria aeroespacial – La industria aeroespacial requiere componentes con un nivel muy alto de precisión y repetibilidad, entre los que se incluyen los álabes de las turbinas de los motores, las herramientas utilizadas para crear otros componentes e incluso las cámaras de combustión utilizadas en los motores de los cohetes.

Automoción y construcción de maquinaria – La industria del automóvil requiere la fabricación de moldes de alta precisión utilizados para la fundición de piezas como los bloques de motor o el mecanizado de piezas de alta tolerancia como los pistones. A mayor escala, las máquinas de tipo pórtico pueden tallar moldes de arcilla utilizados en la fase de diseño de un coche.

Militar – El ejército utiliza componentes de alta precisión con tolerancias muy elevadas, desde componentes de misiles hasta cañones de armas. Todas las piezas mecanizadas en el ejército pueden beneficiarse de la precisión y la velocidad de las máquinas CNC.

Medicina – Los implantes médicos suelen diseñarse con formas muy orgánicas y deben fabricarse con aleaciones avanzadas. Por ello, las máquinas CNC son imprescindibles porque ninguna máquina manual puede crear estas formas.

Energética – La industria energética abarca todos los espectros de la ingeniería, desde las turbinas de vapor hasta tecnologías más exóticas como la fusión. Las turbinas de vapor requieren palas de gran precisión para mantener el equilibrio en la turbina y las cámaras de contención de plasma de I+D en la fusión tienen formas muy complejas de materiales avanzados que requieren máquinas CNC.

Tendencias actuales del CNC

Con el ritmo acelerado del desarrollo tecnológico en los últimos años, se ha percibido que la fabricación aditiva superará al mecanizado CNC, sin embargo, lo más probable es que surjan cada vez más centros de fabricación que combinen varias tecnologías en una sola máquina.

Éstos pueden aprovechar los puntos fuertes de las máquinas sustractivas y aditivas para crear una máquina cuyas capacidades sean mayores que la suma de sus partes. Ya se pueden encontrar algunas de las primeras iteraciones de estas máquinas.

Además, la incesante marcha de la automatización a través de la cuarta revolución industrial dará lugar a sistemas más automatizados que podrán autodiagnosticarse, autooptimizarse y funcionar con una mínima intervención humana.

Los productos podrán fabricarse en función de las necesidades personales de los consumidores y esto será posible gracias al nivel de flexibilidad que ofrecen las máquinas CNC.

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