REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA CIENCIA Y TECNOLOGÍA

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA TERRITORIALANTONIO ANZOÁTEGUI

TALLER DE PROCESOS DE MANUFACTURA

Tema III

Sistemas de sujeción, cambiadores automáticos y herramientas para tornos y

fresadoras CNC

Realizado por: Ing Ricardo Vielma

3. SISTEMAS DE SUJECIÓN, CAMBIADORES AUTOMÁTICOS Y HERRAMIENTAS PARA TORNOS Y FRESADORAS CNC

3.1. Sistemas de sujeción de piezas en máquinas-herramientas a control numérico.Los sistemas de sujeción permiten amarrar la pieza a la mesa de trabajo (fresado) o al eje principal (torneado).

3.1.1. Sistemas de sujeción en tornoEn los tomos de CN se suelen emplear sistemas rápidos de agarre de pieza y que tengan sistemas de auto centrado de buen nivel de precisión. No obstante realizaremos una selección de la mayoría da los mecanismos más utilizados para amarar la pieza en los tomos CN (figura 3.1):

Platos universales de dos, tres o cuatro garras de auto centrado. Platos frontales para la colocación de sargentos para agarre de formas Irregulares. Mandriles hidráulicos de auto centrado. Pinzas para la sujeción de piezas cilíndricas pequeñas. Puntos y contrapuntos con arrastre para piezas esbeltas. Lunetas escamoteables para apoyo intermedio. Sistemas de Conos.

Figura 3.1.

En los platos hidráulicos, se pueden controlar, mediante Instrucciones programadas de CN la apertura y el cierre de las garras así como la presión de apriete.

La elección de la fuerza de apriete depende generalmente de la velocidad de giro del cabezal, velocidades elevadas demandan las presiones mayores al aumentar la acción de la fuerza centrifuga. Como es habitual que las MHCN trabajen a velocidades de giro elevadas y esto podría suponer presiones que dañasen la pieza, estas incorporan mecanismos de compensación de las fuerzas centrifugas. El diseño de las mismas se basa en mantener una presión estable del accionamiento de cierre hidráulico a velocidades de giro elevadas.

El mecanizado de piezas largas con torno, puede necesitar el uso de un elemento de apoyo en el extremo libre de la pieza conocido como contrapunto (figura 3.2).

Figura 3.2.

Este elemento incorpora dos funciones adicionales en la programación CN:

Posicionar contrapunto Aproximar o retirar contrapunto

En casos en que por excesiva longitud de la pieza, no sea suficiente con el contrapunto, la estacada de la pieza, necesitará la instalación de una o más lunetas de apoyo lateral (figura 3.3).

Figura 3.3.

Las lunetas de CN utilizan las siguientes funciones de programación:

Abrir luneta Cerrar luneta Posicionado transversal. Aproximación / retirada.

3.1.2. Sistemas de sujeción en fresadora o centro de mecanizadoEn las fresadoras o centros de mecanizado, se suelen emplear los mismos sistemas que en las convencionales, pero con tendencia a poder realizar estacadas rápidas y precisas

El número de funciones controlables que están relacionadas con estos sistemas depende de la forma de alimentación de piezas (manual o automática) y de la complejidad de sistema de amarre.

En el fresado CN se emplean do forma más asidua los siguientes sistemas de sujeción (figura 3.4):

Mordazas. Mordazas de auto centrado, mecánicas e hidráulicas. Sistemas de bridas. Placas angulares de apoyo. Platos o mesas magnéticas. Mesas y dispositivos modulares de uso universal. Utillajes diseño específico o especial.

Figura 3.4.

En las mordazas hidráulicas, se pueden controlar, mediante instrucciones programadas de CN la apertura y el cierre de las mismas así como la presión de apriete.

En fresado las presiones de apriete no resultan tan criticas. El aspecto más crítico en la sujeción en estas máquinas es la rapidez de montaje / desmontaje y la precisión en el posicionado de la pieza en la mesa de trabajo.

El sistema de amarre debe permitir una fácil carga / descarga de la pieza de trabajo y garantizar la repetitividad en la colocación estable y precisa.

Los sistemas de bridas normalizados y modulares se utilizan frecuentemente. Estos dispositivos deben permitir, a ser posible, el mecanizado completo sin operaciones de montaje / desmontaje,

En numerosas ocasiones es conveniente equipar las fresadoras con un sistema dual de mesas de trabajo intercambiables que permite realizar operaciones de transporte y amarre de piezas fuera o incorporado a la misma máquina (figura 3.5).

Figura 3.5.

La colocación o el giro de la mesa en la posición de trabajo pueden realizarse con funciones CN específicas, así como las paradas y comienzo de los bloques do programación.

3.2. CAMBIADORES AUTOMÁTICOSLa mecanización moderna exige mecanizados en la misma estacada tanto por la precisión de la pieza como por los tiempos de mecanizado. Las herramientas precisan de cambios rápidos y precisos, lo que nos lleva a tener que recurrir a sistemas rápidos de anclaje de herramientas y sistemas automáticos de cambio de las mismas.

El cambio de herramientas puede ejecutarse manualmente por el operario o de forma automática por medio de programación, no obstante, esto solo se realiza en la práctica con fresadoras y taladradoras dotadas de cabezales con adaptadores portaherramientas de acceso rápido y sencillo, todos los tornos suelen equipar, los sistemas automáticos.

Los tomos CN y centros de mecanizado de gran producción utilizan cambiadores automáticos de herramientas que pueden albergar un número variable de útiles dependiendo de su diseño,

Los cambiadores de herramientas reciben los nombres de:

Tambor o revólver de herramientas (tornos) Carrusel de herramientas (fresadoras / centros de mecanizado)

3.2.1 CAMBIADORES PARA EL TORNOCambio manual

El cambio manual en el torno prácticamente no se utiliza, pero en los pocos sistemas en que se utiliza, se recurre a los mismos sistemas que en los tomos convencionales, por lo que no profundizaremos más en este capítulo.

Cambio automático

El cambio de herramienta se controla por programación, caracterizándose por un giro de tambor hasta que coloca en la posición de trabajo aquella herramienta que se le solicita. La posición de trabajo coincide con la posición seleccionada del tambor. Las capacidades de los tambores de herramienta oscilan entre las 6 herramientas de los más pequeños y las 20 de los más grandes.

Figura 3.6.Tambor porta herramientas

3.2.2. CAMBIADORES PARA LA FRESADORACambio manual

El cambio manual en fresadora, recurre a sistemas clásicos de amarre con tirante roscado o por sistemas de apriete neumáticos o mecánicos, estos últimos son los más utilizados por la rapidez en que se realiza la operación

Cambio automático

El cambio de herramienta se controla por programación, caracterizándose por un giro de tambor hasta que coloca en la posición de trabajo, aquella herramienta que se le solicita. La posición de trabajo coincide con la posición seleccionada del tambor. Las capacidades de los tambores de herramienta oscilan entre las 6 herramientas de los más pequeños y las 20 de los más grandes.

Sistemas automáticos de cambio de herramienta en fresadora

Existen básicamente los siguientes sistemas de cambio de herramienta:

Carruseles Tambores giratorios Sistema de cadena

Carruseles

Los carruseles (almacenes) de herramientas tienen la forma de disco, lo que origina que su movimiento sea siempre girando sobre su eje. Emplean un manipulador o garra adicional que intercambia las herramientas, preparando previamente el cambio. La UC de la máquina interrumpe el mecanizado para que el manipulador extraiga del carrusel, que ha girado hasta colocar el útil deseado en la posición de cambio, la nueva herramienta. Simultáneamente la garra opuesta del manipulador extrae la herramienta que está en uso en el cabezal.

Figura 3.7. Carrusel.

Un volteo del manipulador coloca la nueva en el cabezal y a la usada en el hueco (estación) dejando la primera en el almacén. Existen en el mercado diferentes tipos, tendiendo en la actualidad a realizar los cambios de la forma más rápida posible. La capacidad de almacenaje de herramientas se mueve entre las 6 herramientas, Los de menos capacidad, y las 20 los de mayor capacidad.

Tambores giratorios

Los tambores giratorios suelen estar colocados en el propio cabezal, su desplazamiento lo realiza con todas las herramientas simultáneamente, coloca la herramienta adecuada en la posición de trabajo sin necesitar sustituir la herramienta anterior por medio del brazo de cambio.

Tienen el inconveniente de no poder colocarle suficientes herramientas y dado que el tambor está en el cabeza, tampoco dejará cambiar las herramientas sin parar la máquina.

Figura 3.8. Tambores giratorios.

Figura 3.9. Tambores giratorios.

3.3. Herramientas de corte para tornos y fresadoras.

Ante la expansión de la maquinaria para torneado y fresado de alto rendimiento y con control CNC desde hace unos 40 años, el auge que han cobrado los insertos o plaquitas intercambiables fue notorio, al punto de convertirlos actualmente en la herramienta obligada para el torneado de alta velocidad, aún a pesar de su costo.

La gran variedad actual de insertos y porta-insertos en el mercado ha determinado su estandarización bajo normas ISO (o ANSI en Estados Unidos, que emplean medidas inglesas) a fin de facilitar la elección adecuada para cada aplicación.

En el mecanizado con herramientas de metal duro intercambiables, también llamadas insertos o plaquitas (fugura 3.9), los factores como la calidad del material base, geometría, forma y tipo de rompe viruta, juegan un papel muy importante. Su adecuada selección permite ahorrar tiempo y dinero de manera significativa.

Figura 3.10. Ejemplo de insertos. Fuente: Sanvick Coromant

Elección de la herramienta

El desafío se presenta una vez en el taller se quiere definir el juego de herramientas que más le conviene, ya que en el mercado existe un vasto universo de insertos intercambiables.

Actualmente, hay insertos para todas las aplicaciones y necesidades, de allí que, muchas veces, los usuarios se confundan y sea necesario consultar diferentes manuales, para tener una visión completa en la selección del inserto correcto.

En la figura 3.9 se describen los pasos a tener en cuenta para la elección correcta del inserto.

Figura 3.11.

Material a mecanizar

El primer paso para una adecuada selección es conocer la composición básica del material a trabajar, su grado de durezas y maquinabilidad. Las variables más importantes que describen la maquinabilidad de un material son: composición, tratamiento térmico y micro-estructura. Además, las propiedades mecánicas como la dureza, resistencia a la tensión y ductilidad dan indicaciones de las características de maquinado que deben esperarse. Todas estas propiedades afectan el comportamiento de la herramienta, en especial su desgaste.

Conviene tener en cuenta la norma ISO 513:2004, que clasifica los diferentes tipos de metal duro de los insertos en seis grupos, según la aplicación y maquinabilidad del material a cortar. Cada grupo se designa con una letra y un color distintivo:

P – azul; M – amarillo; K – rojo; N – verde; S – café, y H – gris. A continuación la descripción:

Insertos para aceros al carbono.

: El acero es el grupo de materiales más grande del área de mecanizado, abarca materiales no aleados y de alta aleación, e incluye acero fundido y aceros inoxidables ferrítico y martensítico. Son materiales que generan viruta larga y su maquinabilidad suele ser buena, pero puede ser muy distinta según la dureza y contenido de carbono del material.

Insertos para aceros inoxidables.

: Los aceros inoxidables son materiales aleados con un mínimo de 12% de cromo; otras aleaciones pueden incluir níquel y molibdeno. Los distintos estados, como ferrítico, martensítico, austenítico y austenítico-ferrítico (dúplex), crean una amplia gama. Un factor común de todos estos tipos es que los filos quedan expuestos a gran cantidad de calor, desgaste en entalladura y filo de aportación.

Insertos para fundición.

: La fundición es, al contrario que el acero, un tipo de material que produce viruta corta. La fundición gris (GCI) y la fundición maleable (MCI) son muy fáciles de mecanizar, mientras que la fundición nodular (NCI), la fundición compactada (CGI) y la fundición austemperizada (ADI) presentan más dificultades. Todas las fundiciones contienen carburo de silicio (SiC), que resulta muy abrasivo para el filo de los insertos.

Insertos para no ferrosos

: Los metales no férreos son más blandos, como aluminio, cobre, latón, etc. El aluminio con un contenido de Si del 13% es muy abrasivo. Por regla general, se puede obtener alta velocidad de corte y prolongada vida útil de la herramienta con plaquitas de filos agudos.

Insertos para superaleaciones termorresistentes

: Este tipo de superaleaciones incluyen un gran número de materiales de alta aleación con base de hierro, níquel, cobalto y titanio. Son pastosos, crean filo de aportación, se endurecen durante el mecanizado (endurecimiento mecánico) y generan calor. Son similares a los del área ISO M pero mucho más difíciles de mecanizar y acortan la vida útil de la herramienta y del filo de la plaquita.

Insertos para materiales endurecidos

: Este grupo incluye aceros templados con una dureza entre 45-65 HRc y también la fundición en coquilla de alrededor de 400-600 HB. Esta dureza hace que todos ellos sean

difíciles de mecanizar. Estos materiales generan bastante calor durante el mecanizado y resultan muy abrasivos para el filo.

Además del código básico de los grupos de materiales ISO, la herramienta se clasifica también según su tendencia a ser tenaz o dura (figura 3.10).

Figura 3.12. Fuente: MetalActual

Por ejemplo, el numero 01 representa una elevada dureza y baja tenacidad, mientras el 50 corresponde a una herramienta con elevada tenacidad y baja dureza.

3.3.1. Herramientas para torneadoGeometría del inserto

Bajo la norma 1832:1991, la ISO codificó los parámetros que deben cumplir los insertos de metal duro a nivel mundial según su geometría. Dicha norma incluye insertos en diferentes formas y tamaños, los cuales deben elegirse según el tipo de trabajo a realizar. Las plaquitas más comunes son: cuadrada, triangular, rómbica, redonda y la llamada trigonal (figura 3.12); así mismo, hay plaquitas especiales para ranurar y roscar.

Figura 3.13. Formas características del inserto para torneado. Fuente: Sandvik Coromant

La forma del inserto debe seleccionarse con relación al ángulo entrante necesario y la accesibilidad de la herramienta para hacer una operación en particular. La forma del inserto y la orientación del filo variarán según se desee hacer una operación de refrentado, cilindrado, perfilado, roscado o ranurado, entre otras.

Con el fin de guiar al operario, la norma ISO 1832 clasifica los insertos bajo un código de símbolos alfanuméricos (figura 3.14), que representa las características principales de la herramienta, según su geometría (forma de la cara superior de la plaquita); ángulos de corte; radio de la punta; tipo de rompeviruta; sistema de sujeción y sentido del corte.

Figura 3.14. Clave de códigos para plaquitas y portaplaquitas. Extracto de ISO 1832-1991. Fuente: Sandvik Coromant

Figura 3.15. Referencia de cada dígito de la Norma ISO 1832. Fuente: Sandvik Coromant

Formas Especiales

Un avance importante, con respecto a la geometría de los insertos, lo constituye el sistema de insertos Wiper, que nació hace pocos años, y hoy lo ofrecen la gran mayoría de los fabricantes de herramientas de corte, como una alternativa válida para mecanizados de acabado. Los insertos Wiper, logran combinaciones de avances elevados y acabado de superficie mejorado, al permitir que se duplique el régimen de avance, así mismo pueden reducir los tiempos de mecanizado a la mitad y mejorar tanto el acabado de superficie como el control de virutas (figura 3.16).

Figura 3.16. Geometría Wiper. Fuente: Sandvik Coromant

Torneado externo

También llamado cilindrado exterior, consiste en darle forma a la pieza mediante el arranque de viruta con una herramienta, reduciendo el diámetro para obtener la pieza deseada.(figura 3.17).

Figura 3.17. Torneado exterior

El tipo de mecanizado va a depender de la forma y disposición de la plaquita como se muestra en la figura 3.18. Las flechas indican la dirección y tipo de mecanizado que se puede realizar el cual está limitado por la forma de la plaquita

Figura 3.18. Aplicaciones según forma y disposición de la plaquita

Sistemas porta-herramienta

Entre los sistemas porta-herramienta tenemos (figura 3.19):

Sistemas con mango Sistema Capto

a. Sistema con mango

b. Sistema Capto

Figura 3.19. Sistemas porta-herramienta

Sistemas de sujeción de la plaquita

Los sistemas de sujeción se clasifican en:

Sujeción rígida Sujeción por palanca Sujeción por brida-cuña Sujeción por tornillo Sujeción con excéntrica y brida superior

Sujeción rígida

Figura 3.20. Sujeción rígida.

Sujeción por palanca

Figura 3.21. Sujeción por palanca.

Sujeción por brida-cuña

Figura 3.22. Sujeción por brida-cuña.

Sujeción por tornillo

Figura 3.23. Sujeción por tornillo.

Sujeción con excéntrica y brida superior

Figura 3.24. Sujeción con excéntrica y brida superior.

Torneado interior

También llamado cilindrado interno, consiste en darle forma a la pieza mediante el arranque de viruta con una herramienta, aumentando el diámetro para obtener la pieza deseada.(figura 3.25).

Figura 3.25. Torneado interior

El tipo de mecanizado va a depender de la forma y disposición de la plaquita como se muestra en la figura 3.26. Las flechas indican la dirección y tipo de mecanizado que se puede realizar el cual está limitado por la forma de la plaquita

Figura 3.26. Aplicaciones según forma y disposición de la plaquita.

Sistemas porta-herramienta

Entre los sistemas porta-herramienta tenemos (figura 3.19):

Barras de mandrinar

Sistema Capto

a. Barras de mandrinar

b. Sistema Capto

Figura 3.27. Sistemas porta-herramientas

Sistemas de sujeción de la plaquita

Los sistemas de sujeción se clasifican en (Figura 3.28):

a) Sujeción rígidab) Sujeción por palancac) Sujeción por brida-cuñad) Sujeción por tornilloe) Sujeción con excéntrica y brida superior

El sistema de sujeción es similar al empleado en el torneado exterior presentando los mismos elementos.

a)

b)

c)

d)

e)

Figura 3.28. Sistemas de sujeción para torneado interno

3.3.2. Herramientas para fresadoLas fresas son piezas giratorias para el mecanizado de materiales y constituyen las herramientas principales de las fresadoras. Se construyen generalmente en acero rápido, pero, dado el elevado costo de este material, las fresas de mayor tamaño poseen un cuerpo de acero de construcción y en la parte cortante tienen incorporadas cuchillas (o dientes) de acero rápido o bien insertos de corte (widia) que pueden ser permanentes o intercambiables.

Todas estas partes cortantes (o filos) están normalmente dispuestas de manera simétrica alrededor de un eje y su función es eliminar progresivamente el material de la pieza de trabajo transformándola en una pieza acabada, con la forma y las dimensiones deseadas.

Existe una multitud de fresas, cada una para una operación específica de fresado y para un trabajo determinado (figura 3.29). Cubren una diversa gama de materiales, desde metales hasta madera y plásticos, y la mayoría se encuentra disponible para aceros, fundición gris blanca y metales no ferrosos, materiales duros y tenaces y materiales blandos.

Figura 3.29. Tipos y aplicaciones de las fresas

Podemos clasificar las herramientas por el tipo de operación que realizan:

Planeado Fresado a escuadra Fresado de perfiles Fresado de ranuras Fresado de roscas

Planeado

Figura 3.30. a) Operaciones de planeado; b) Fresa para planeado general; c) Fresa de planear con avance elevado. Fuente Sandvik Coromant

a b c

Fresado a escuadra

Figura 3.31 . Operaciones de escuadrado. Fuente Sandvik Coromant

Fresado de perfiles

Figura 3.32. Operaciones de perfilado. Fuente Sandvik Coromant

Figura 3.33 . Fresas de perfilar. Fuente Sandvik Coromant

Fresado de ranuras

Figura 3.34. Operaciones de ranurado. Fuente Sandvik Coromant

Figura 3.35. Fresas de ranurar. Fuente Sandvik Coromant

Fresado de roscas

Figura 3.36. Operaciones de fresado de roscas. Fuente Sandvik Coromant

Figura 3.37. Fresas de roscar. Fuente Sandvik Coromant

Sistemas portaherramientas

Existe una extensa variedad de portaherramientas los cuales son empleados como medios de sujeción en las fresadoras. Podemos encontrar los mangos o conos básicos (figura 3.30) y los sistemas modulares (figura 3.31).

Figura 3.38. Mangos o conos básicos. Fuente Sandvik Coromant

Figura 3.39. Sistema modular. Fuente Sandvik Coromant

Bibliografía

http://mecanizadoupnfm.blogspot.com/2015/09/herramisntas-de-corte-de-fresadora.html

http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/fresas-tipos-y-usos

http://www.demaquinasyherramientas.com/mecanizado/insertos-para-torno-clasificacion-iso-y-aplicaciones.

http://www.sandvik.coromant.com/es-es?country=es

Marín V. Camilo. Selección y Consejos sobre insertos intercambiables para torneado. Revista Metal Actual