1. Información general
Las máquinas herramienta simbolizan el nivel de habilidad industrial de una nación. El pináculo de la fabricación de máquinas herramienta está representado por el sistema de máquinas herramienta de control numérico vinculado de cinco ejes.
En algunos aspectos, refleja el estado de desarrollo industrial de una nación. Durante mucho tiempo, los países industrializados occidentales, encabezados por Estados Unidos, trataron el sistema de máquina herramienta de control numérico de cinco ejes como un recurso estratégico vital, implementando un sistema de licencias de exportación.
Especialmente durante la Guerra Fría, impusieron bloqueos y embargos a naciones del bloque socialista como China y la ex Unión Soviética. Hubo el “Incidente Toshiba” a finales del siglo pasado, cuando la Corporación Toshiba de Japón vendió varias fresadoras de control numérico de cinco ejes a la ex Unión Soviética.
El resultado fue una mejora en la fabricación de hélices submarinas, haciéndolas indetectables para el sonar de los barcos espías estadounidenses. Por ello, Estados Unidos sancionó a Toshiba Corporation por violar el embargo de materiales estratégicos.
Los centros de mecanizado tienen fuertes capacidades de procesamiento integrado. Una vez que una pieza se sujeta una vez, puede completar una cantidad significativa de procesamiento con alta precisión.
Para piezas por lotes de dificultad media, su eficiencia es de cinco a diez veces mayor que la de las máquinas herramienta comunes, especialmente porque puede realizar muchas tareas que las máquinas herramienta comunes no pueden realizar. Es especialmente adecuado para la producción de formas complejas y unidades de alta precisión, o para la producción de variedades múltiples a pequeña escala.
En la fabricación moderna, el mecanizado de precisión es cada vez más frecuente. Las máquinas y moldes CNC de última generación, que permiten un procesamiento preciso, están a la vanguardia de la cadena de la industria manufacturera. La calidad de los productos de moldes depende en gran medida de los equipos CNC.
En medio de una intensa competencia en el mercado, la fabricación exige ciclos de producción más cortos, mayor calidad de procesamiento, capacidades de reequipamiento de productos más rápidas y menor tecnología de fabricación.
Para cumplir con estas condiciones, cada vez más empresas manufactureras están adoptando máquinas herramienta CNC de última generación: máquinas de procesamiento de cuatro y cinco ejes.
Sabemos que una máquina herramienta de tres ejes tiene solo tres ejes de movimiento ortogonales (comúnmente definidos como ejes X, Y y Z) y solo puede lograr tres direcciones de libertad de movimiento lineal.
Por lo tanto, puede procesar estructuras a lo largo de la dirección del eje de la herramienta de mecanizado. Los recursos del marco lateral no se pueden procesar. (La máquina herramienta de tres ejes necesita diseñar múltiples conjuntos de accesorios, instalar, ubicar y sujetar varias veces, descomponer el mecanizado general, lo que prolonga el ciclo de procesamiento y reduce en gran medida la calidad).
Las herramientas (o piezas de trabajo) libres tienen seis grados de libertad en el espacio. La realidad es que durante el corte de metal se generan enormes fuerzas de corte y fricción entre la pieza de trabajo y la herramienta.
Para evitar que la posición de la pieza de trabajo se mueva, se debe sujetar y fijar. El mecanizado CNC de cinco ejes se refiere a tener al menos cinco ejes de coordenadas (tres coordenadas lineales y dos coordenadas giratorias) en una sola máquina herramienta, que pueden coordinarse y procesarse simultáneamente bajo control numérico por computadora.
El sistema de máquina herramienta CNC vinculado de cinco ejes es el único medio para procesar impulsores, palas, hélices de barcos, rotores de generadores de servicio pesado, rotores de turbinas, cigüeñales de motores diésel grandes y más.
Es una máquina herramienta de alta tecnología y alta precisión diseñada específicamente para procesar superficies complejas, ejerciendo una influencia significativa en las industrias de aviación, aeroespacial, militar, investigación, instrumentos de precisión y equipos médicos de alta precisión de un país, entre otras.
Un impulsor se refiere tanto a una rueda dotada de álabes móviles, que forma parte del rotor en las turbinas de vapor de impulso, como al conjunto de la rueda y las álabes giratorias montados en ella.
Un generador de turbina de vapor se refiere a un generador impulsado por una turbina de vapor. El vapor sobrecalentado producido por la caldera ingresa a la turbina, se expande para realizar trabajo y hace girar las palas, que a su vez impulsan el generador para producir electricidad.
El vapor gastado después del trabajo regresa a la caldera para su reciclaje a través del condensador, la bomba de circulación de agua, la bomba de condensado, el dispositivo de calentamiento del agua de alimentación y otros componentes.
Cinco ejes
El sistema de coordenadas predeterminado es un sistema cartesiano diestro. Los ejes de coordenadas básicos son tres ejes lineales: X, Y y Z. Los ejes de rotación correspondientes a cada uno de estos ejes lineales se indican como A, B y C, respectivamente.
El mecanizado CNC de cinco ejes se refiere a una máquina herramienta con al menos cinco ejes de coordenadas (tres coordenadas lineales y dos coordenadas de rotación) que pueden realizar movimientos coordinados para el procesamiento bajo el control de un sistema de control numérico por computadora.
El "eje" en una máquina herramienta CNC denota un eje de movimiento, que también puede considerarse como un eje de coordenadas espaciales, como el eje XY en coordenadas, donde cada eje de movimiento tiene un controlador y un sistema de accionamiento de motor independientes.
Es decir, la máquina herramienta CNC tiene cinco servoejes (excluyendo el eje principal) que pueden interpolarse simultáneamente (los cinco servoejes pueden moverse al mismo tiempo para procesar una sola pieza).
Variedades estructurales
Las máquinas herramienta CNC de cinco ejes vienen en varias formas estructurales, divididas principalmente en tres categorías principales: tipo de mesa de trabajo inclinable, tipo de inclinación del husillo y una combinación de herramientas de mecanizado de cinco ejes del tipo de mesa de trabajo inclinable.
Máquina herramienta CNC de 5 ejes :
- Tipo de mesa de trabajo basculante
- Tipo de husillo inclinable
- Mesa de trabajo inclinable/tipo husillo
Tipo banco inclinado
Esto se refiere al tipo de banco inclinado. El banco colocado en la base de la máquina puede girar alrededor del eje X, definido como eje A, y normalmente funciona en un rango de +30 a -120 grados.
También se instala una mesa giratoria en el centro del banco que puede girar alrededor del eje Z en la ubicación representada, definida como el eje C, lo que permite una rotación completa de 360 grados.
La combinación del eje A y el eje C permite mecanizar las cinco caras de la pieza de trabajo sujeta al banco de trabajo, excluyendo la cara inferior, mediante el husillo vertical.
Los valores mínimos de indexación para los ejes A y C suelen ser de 0,001 grados, lo que permite subdividir la pieza de trabajo en cualquier ángulo, mecanizando así superficies inclinadas y agujeros.
Cuando los ejes A y C se coordinan con los ejes lineales XYZ, se pueden mecanizar superficies espaciales complejas, lo que obviamente requiere el apoyo de sistemas de control numérico, servosistemas y software de última generación.
La ventaja de esta configuración es que tiene una estructura de husillo relativamente simple con excelente rigidez y menores costos de fabricación.
Sin embargo, el banco de trabajo generalmente no puede diseñarse demasiado grande y su capacidad de carga es algo limitada, especialmente cuando la rotación del eje A es mayor o igual a 90 grados, ya que cortar la pieza de trabajo ejercerá una carga significativa. torsión en el banco.
Tipo de husillo inclinado
El tipo de husillo inclinado presenta un cabezal giratorio en el extremo frontal del husillo principal, que puede girar de forma independiente alrededor del eje Z 360 grados, convirtiéndose así en el eje C.
El cabezal giratorio también incluye un eje A que puede girar alrededor del eje X, alcanzando normalmente más de ±90 grados, realizando las mismas funcionalidades mencionadas anteriormente.
La ventaja de esta configuración es la flexibilidad que ofrece a la hora de mecanizar el husillo; La mesa de trabajo se puede diseñar a gran escala, lo que permite procesar enormes carrocerías de aviones y carcasas de motores en estos centros de mecanizado.
Otra ventaja importante implica el uso de una fresa de bolas para el mecanizado de superficies. Cuando la línea central de la herramienta es perpendicular a la superficie de mecanizado, la velocidad de la línea en la punta del molino de bolas es cero, lo que resulta en un acabado superficial deficiente debido al corte de la punta.
Sin embargo, al utilizar un diseño de husillo giratorio que gira el husillo en ángulo con respecto a la pieza de trabajo, la fresa de extremo de bola evita el corte de la punta, lo que garantiza una cierta velocidad de línea y mejora la calidad del mecanizado de superficies.
Esta estructura es muy buscada para el mecanizado superficial de moldes de alta precisión, algo difícil de conseguir con un centro de mecanizado de mesa giratoria.
Para lograr una alta precisión de rotación, los ejes giratorios de última generación están equipados con sistemas de retroalimentación de escala de cuadrícula circular, lo que permite una precisión de indexación en unos pocos segundos.
Naturalmente, este tipo de estructura de rotación del husillo es más complejo y, en consecuencia, los costes de producción son más elevados.
Tipo de mesa de trabajo/inclinación del husillo
Un eje de rotación está en el lado de la herramienta del cabezal del husillo y el otro está en el lado de la mesa de trabajo. Este tipo de máquina herramienta tiene la disposición más flexible de estructuras de ejes de rotación, que pueden ser cualquier combinación de los ejes A, B y C.
La mayoría de las máquinas herramienta de tipo mesa de trabajo/husillo inclinado están configuradas con un eje B combinado con una mesa de trabajo que gira alrededor del eje C. Esta disposición estructural es simple, flexible y comparte las ventajas de las máquinas de tipo husillo inclinado y de tipo inclinación. mesa.
El husillo de estas máquinas puede girar a una posición horizontal o vertical, y la mesa de trabajo solo necesita indexarse para su posicionamiento, lo que facilita su configuración como un centro de procesamiento de tres ejes capaz de realizar conversiones verticales y horizontales.
Al convertir la orientación del husillo y combinarla con la indexación de la mesa de trabajo, es posible realizar un procesamiento pentaedro en la pieza de trabajo. Esto da como resultado bajos costos de fabricación y utilidad práctica.
Aplicación de mecanizado CNC de cinco ejes
El centro de mecanizado interconectado de cinco ejes es ideal para procesar componentes complejos que requieren multitud de operaciones.
Estos componentes requieren el uso de varios tipos de máquinas herramienta convencionales, numerosas herramientas de corte y accesorios y, a menudo, requieren múltiples configuraciones y ajustes para completarse exitosamente.
1. Componentes tipo gabinete
Los componentes tipo gabinete a menudo requieren orificios de múltiples estaciones y mecanizado plano, con demandas de alta tolerancia.
En particular, las tolerancias de forma y posición son bastante estrictas.
Estos componentes generalmente se someten a operaciones de fresado, taladrado, escariado, taladrado, brochado y roscado, que requieren numerosas herramientas. El proceso es un desafío en las máquinas herramienta estándar debido a los múltiples accesorios y alineaciones, lo que dificulta garantizar la precisión del mecanizado.
Cuando se trabaja en piezas tipo gabinete, es necesario girar la mesa de trabajo varias veces para mecanizar en cuatro caras horizontales, por lo que es apropiado el uso de un centro de mecanizado horizontal.
2. Superficies complejas
Las superficies complejas desempeñan un papel importante en la fabricación mecánica, especialmente en la industria aeroespacial. Es un desafío, si no imposible, fabricar superficies complejas utilizando métodos de mecanizado convencionales.
Estos complejos componentes de superficie incluyen una variedad de impulsores, formas esféricas, varias trituradoras que forman superficies curvas, hélices, hélices de vehículos submarinos y otras superficies de forma libre. Estos componentes se procesan de forma más eficaz en un centro de mecanizado de cinco ejes.
El cortador actúa como una superficie envolvente para aproximar superficies esféricas. Al mecanizar superficies complejas con un centro de mecanizado, la carga de trabajo de programación es sustancial y la mayoría de las tareas requieren tecnología de programación automatizada.
3. Piezas irregulares
Las piezas irregulares, caracterizadas por sus formas atípicas, a menudo requieren un procesamiento mixto de puntos, líneas y superficies en múltiples estaciones. Estas piezas suelen tener baja rigidez, lo que dificulta controlar la deformación de la fijación y garantizar la precisión del mecanizado.
De hecho, algunas piezas tienen zonas difíciles de procesar con máquinas herramienta convencionales. Cuando se trabaja con centros de mecanizado es prudente adoptar medidas tecnológicas adecuadas como la sujeción simple o doble.
La utilización de las capacidades de procesamiento mixto de estaciones múltiples de los centros de mecanizado (que abarcan puntos, líneas y superficies) permite completar muchos o todos los procedimientos de mecanizado.
4. Piezas con bridas
Piezas con bridas, componentes con chaveteros, orificios radiales o superficies de extremo con una serie de orificios distribuidos, placas curvas o componentes de eje como casquillos con bridas, componentes de eje con chaveteros o extremos cuadrados y componentes de placa con una amplia variedad de orificios, como diferentes motores. cubiertas.
Los centros de mecanizado verticales son adecuados para piezas de disco con orificios distribuidos en la superficie final y superficies curvas, mientras que se pueden elegir centros de mecanizado horizontales para aquellas con orificios radiales.
5. Procesamiento especializado
Una vez que haya dominado la funcionalidad del centro de mecanizado, una combinación de plantillas adecuadas y herramientas especializadas le permitirá realizar determinadas tareas técnicas únicas.
Esto incluye grabar texto, líneas y patrones en superficies metálicas. Al montar una fuente de alimentación de chispa de alta frecuencia en el husillo principal del centro de mecanizado, se puede realizar un endurecimiento de superficies de barrido lineal en superficies metálicas.
Además, equipar el centro de mecanizado con un cabezal de rectificado de alta velocidad permite rectificar engranajes cónicos involutos de módulo pequeño y diversas curvas y superficies.
