Tecnología de corte de alta velocidad: el poder transformador del mecanizado personalizado CNC

En 1931, el Dr. Carl Salom, de Alemania, propuso por primera vez la teoría del mecanizado por chorro de alta velocidad, y desde entonces, la tecnología de corte de alta velocidad ha experimentado un largo desarrollo. Desde la etapa de investigación y exploración teórica, pasando por la etapa de investigación básica aplicada, hasta la etapa de investigación aplicada, ha entrado ahora en la etapa de desarrollo y aplicación.

En el proceso de desarrollo, se perfeccionan constantemente tecnologías clave. Por ejemplo, la tecnología de husillos de alta velocidad: desde la aparición de las máquinas herramienta de corte de alta velocidad en la 11.ª Feria Internacional de Máquinas Herramienta de Japón en 1982, el número de máquinas herramienta de alta velocidad ha aumentado significativamente año tras año. La velocidad del husillo ha evolucionado desde más de 10 000 rpm en sus inicios hasta alcanzar las 100 000 rpm o incluso más en la actualidad. Las tecnologías clave de los husillos de alta velocidad incluyen la estructura de cojinetes cerámicos y la lubricación por niebla de aceite. Actualmente, los sistemas de husillos de máquinas herramienta con valores dn superiores a 1,5 × 10⁶ utilizan casi exclusivamente cojinetes cerámicos.

El progreso en la alta velocidad y aceleración del sistema de alimentación también es sobresaliente. La aplicación de husillos de gran diámetro y la aparición del modo de accionamiento directo del motor lineal satisfacen las necesidades de rendimiento del sistema de alimentación de las máquinas herramienta de accionamiento cero, con alta precisión de posicionamiento, precisión de posicionamiento repetible y velocidad de respuesta dinámica.

La tecnología de corte de alta velocidad presenta características de desarrollo distintas en las diferentes etapas del mecanizado CNC personalizado. En sus inicios, se centró principalmente en la exploración teórica, y con el avance de la tecnología, fue demostrando gradualmente sus ventajas en la aplicación práctica. Actualmente, la tecnología de corte de alta velocidad se utiliza ampliamente en la industria aeroespacial, automotriz, de moldeo y otras, y desempeña un papel cada vez más importante en el campo del mecanizado CNC personalizado.

El husillo de alta velocidad ha experimentado continuos avances tecnológicos, gracias al uso de tecnologías avanzadas como los cojinetes cerámicos e hidrostáticos. Los cojinetes cerámicos se caracterizan por su alta dureza, elevada resistencia a la compresión, buena conductividad térmica y resistencia al desgaste, lo que mejora significativamente la vida útil y la capacidad de carga del husillo. Actualmente, casi todos los sistemas de husillo de máquinas herramienta con un valor dn superior a 1,5 × 10⁶ utilizan cojinetes cerámicos. Además, el desarrollo de husillos aerostáticos y husillos con soporte de cojinetes de levitación magnética también ha supuesto importantes avances para los husillos de alta velocidad. Por ejemplo, el centro de mecanizado ASV-40 fabricado por Toshiba Machinery Company de Japón utiliza un husillo aerostático con una velocidad de 80 000 r/min; el centro de mecanizado de alta velocidad fabricado por Mori Seiki, también de Japón, utiliza un husillo con soporte de cojinetes de levitación magnética, alcanzando una velocidad de 40 000 r/min. Estas tecnologías avanzadas de husillo mejoran notablemente la velocidad y la precisión, proporcionando un sólido soporte para el mecanizado de alta velocidad.

El sistema de avance de alta velocidad, en su estructura de innovación continua, utiliza husillos de bolas de alta velocidad, motores lineales y otras estructuras avanzadas, lo que mejora notablemente la velocidad y la aceleración. La velocidad de avance del husillo de bolas de alta velocidad alcanza los 60 m/min, siendo lo más común entre 20 y 30 m/min. La aplicación de motores lineales ha revolucionado el sistema de avance de alta velocidad. El motor lineal elimina la holgura y la deformación elástica del sistema de transmisión mecánica, reduce la fricción de transmisión y prácticamente no presenta holgura en reversa. El motor lineal posee altas características de aceleración y desaceleración, pudiendo alcanzar los 2g, lo que representa de 10 a 20 veces la fuerza de los dispositivos de accionamiento tradicionales, y la velocidad de avance es de 4 a 5 veces mayor. Accionamiento mediante motor lineal: ofrece las ventajas evidentes de un gran empuje por unidad de área, facilidad para generar movimientos de alta velocidad y una estructura mecánica que no requiere mantenimiento. La aplicación de estas tecnologías satisface los requisitos de movimiento rápido y posicionamiento preciso de las máquinas herramienta, y proporciona una garantía fiable para el corte de alta velocidad.

Las herramientas de corte desempeñan un papel vital en el corte de alta velocidad. Con el aumento de la velocidad de corte, el material, los parámetros geométricos y la estructura del cuerpo de la herramienta han cambiado considerablemente. Actualmente, los materiales más utilizados para herramientas de corte de alta velocidad son el diamante policristalino (PCD), el nitruro de boro cúbico (CBN), la cerámica, la cerámica a base de Ti (C,N), las herramientas recubiertas (CVD), el carburo de grano ultrafino, entre otros. Estos materiales poseen alta resistencia al calor, resistencia al choque térmico, buenas propiedades mecánicas a altas temperaturas y alta fiabilidad. Al mismo tiempo, el sistema de herramientas para el corte de alta velocidad debe cumplir con los requisitos de buena precisión geométrica y alta precisión de posicionamiento repetida de sujeción, rigidez de sujeción, buen estado de equilibrio y seguridad y fiabilidad durante la operación a alta velocidad. Reducir la masa del cuerpo de la herramienta tanto como sea posible para disminuir la fuerza centrífuga que sufre durante la rotación a alta velocidad, cumplir con los requisitos de seguridad del corte de alta velocidad y mejorar el modo de sujeción de la herramienta.

La optimización de los parámetros del proceso de corte de alta velocidad es una de las tecnologías clave que limitan su aplicación. Dado que el corte de alta velocidad es un modo de corte relativamente nuevo, existe una falta de ejemplos de aplicación de referencia y de bases de datos de parámetros de corte y mecanizado prácticos. Por lo tanto, es necesario estudiar y adoptar un nuevo método de programación para que los datos de corte se ajusten a la curva característica de potencia del husillo de alta velocidad y se aprovechen al máximo las ventajas del corte CNC de alta velocidad. El desarrollo y la aplicación de la tecnología de corte de alta velocidad dependen del desarrollo integral de tecnologías clave como el husillo de alta velocidad, el sistema de avance de alta velocidad y las herramientas de corte de alta velocidad. Solo la coordinación de las diversas tecnologías puede lograr una alta eficiencia, alta precisión y alta fiabilidad en el corte de alta velocidad.

La tecnología de corte de alta velocidad ofrece muchas ventajas en el fresado CNC de alta velocidad de cavidades de aleación de aluminio. En primer lugar, mejora la eficiencia del proceso, ya que permite el uso de una velocidad de avance mayor, de 5 a 10 veces superior a la del corte convencional, lo que incrementa la tasa de remoción de material por unidad de tiempo de 3 a 6 veces. Esto es de gran importancia para el mecanizado CNC de piezas con cavidades de aleación de aluminio y reduce considerablemente el tiempo de procesamiento. En segundo lugar, garantiza la calidad del procesamiento y, en comparación con el corte convencional, la fuerza de corte se reduce al menos un 30% durante el corte de alta velocidad, disminuyendo la deformación. El proceso de corte de alta velocidad es rápido, genera menos calor (más del 95%), evitando la deformación por alabeo o expansión de las piezas debido al aumento de temperatura, lo que resulta especialmente adecuado para el procesamiento de piezas propensas a la deformación térmica. En cuanto a la selección de la herramienta de mecanizado y la velocidad de avance, la velocidad de corte de la fresa de carburo para el procesamiento de piezas de aleación de aluminio generalmente alcanza los 1000 m/min. Si se utiliza la fresa D8, la velocidad del husillo se fija en 18000 rpm, la velocidad de avance de desbaste en 6000 mm/min y la velocidad de avance de acabado puede seleccionarse entre 2000 y 3000 mm/min, teniendo en cuenta la rigidez de la pieza y los requisitos de calidad superficial. Si el rendimiento de la máquina herramienta es elevado, la velocidad de corte y la velocidad de avance pueden incrementarse según sea necesario.

En la producción real, la tecnología de mecanizado de alta velocidad tiene una amplia gama de aplicaciones. En un ejemplo típico de desbaste, primero se utiliza una fresa frontal de filo de plaquita con recubrimiento TiAIN de 5 pulgadas, velocidad del husillo de 450 a 500 rpm, velocidad de avance de 150 a 175 ipm, profundidad de corte de 0,050 pulgadas, procesando una gran cantidad de virutas. Después del desbaste, la mayor parte de la pieza se envía al exterior para tratamiento térmico. El semiacabado comienza tan pronto como la pieza regresa, generalmente con una fresa de punta esférica de 2 pulgadas a 2000 rpm y una velocidad de avance de 125 a 150 ipm. Para el corte de perfil siguiendo un patrón de fresado alternativo, el espaciado de pista es de 0,125 pulgadas. Para el corte en zigzag, se pueden utilizar velocidades y velocidades de avance similares, una profundidad de corte de 0,020 a 0,050 pulgadas y un cabezal pequeño de 2,5 pulgadas de diámetro. Además, también se pueden utilizar herramientas más pequeñas para conectar el chaflán.

El corte de alta velocidad tiene requisitos especiales para los sistemas CNC. Debido a que la velocidad del husillo y la velocidad de avance de la herramienta en las máquinas de corte de alta velocidad aumentan considerablemente, el sistema CNC debe tener una velocidad de cálculo y una capacidad de procesamiento de datos suficientemente rápidas. El servomecanismo de avance debe poder realizar ajustes arbitrarios en un amplio rango de velocidad, desde baja hasta alta, y superar la contradicción del gran error de seguimiento del sistema cuando la velocidad del servo de avance es alta. El sistema CNC debe tener un ciclo de servo más corto y una mayor resolución, además de contar con la función de monitorización de la trayectoria de la máquina y la capacidad de interpolación de curvas.

Actualmente, los sistemas CNC de corte de alta velocidad presentan algunos problemas. En primer lugar, su arquitectura es cerrada, lo que limita la escalabilidad y la compatibilidad del sistema. En segundo lugar, la integración con CAM es insuficiente, lo que resulta en una programación y un procesamiento menos fluidos y eficientes. Además, los interpoladores y los controladores de avance de los sistemas CNC tienen limitaciones. Es necesario mejorar la precisión de la interpolación y utilizar la función de anticipación y un mayor número de segmentos de programa avanzados. Asimismo, se pueden emplear tecnologías de control de contorno como la interpolación NURBS, la aceleración por retroceso, la interpolación suave y la aceleración y desaceleración de campana. El controlador de avance debe gestionar mejor los requisitos de alta aceleración y respuesta rápida propios del corte de alta velocidad.

Las piezas de acero inoxidable se enfrentan a la tendencia del endurecimiento por deformación durante el proceso de corte a alta velocidad, lo que genera numerosos problemas en el mecanizado. Debido a las distintas propiedades mecánicas y composición química del acero inoxidable, la dificultad del corte CNC varía. La alta resistencia térmica y tenacidad dificultan el corte a alta velocidad mediante CNC, y el trabajo consumido durante la deformación es considerable. La profundidad de la capa endurecida puede oscilar entre decenas y cientos de micras, y el fenómeno de endurecimiento generado por el corte anterior afecta negativamente al siguiente. Además, la elevada dureza de la capa endurecida provoca un desgaste excesivo de la herramienta.

Para solucionar el problema del endurecimiento por deformación, conviene elegir la herramienta adecuada, como una con un filo de corte afilado. Un buen afilado reduce el calor generado por la fricción con la pieza, previniendo así el endurecimiento. Asimismo, es necesario establecer las mejores condiciones de procesamiento y la configuración óptima del refrigerante.

La aplicación de la tecnología de corte de alta velocidad también presenta desafíos como la fuerte adhesión de las virutas y la baja conductividad térmica. En el proceso de corte CNC, los residuos de corte tienden a adherirse o fundirse en la punta de la herramienta y la cuchilla, formando una acumulación de virutas que deteriora la rugosidad de la superficie de la pieza mecanizada, aumenta la vibración durante el proceso de corte y acelera el desgaste de la herramienta. Además, una gran cantidad de calor de corte no se disipa a tiempo, e incluso el calor generado durante el corte no se distribuye uniformemente a la viruta, lo que resulta en una mayor temperatura de entrada de la herramienta que la del acero al carbono convencional, provocando que el filo de corte pierda su capacidad de corte a altas temperaturas.

Además, el corte a alta velocidad, como nuevo modo de corte, carece de ejemplos de aplicación de referencia y de una base de datos práctica de parámetros de corte y mecanizado. Esto obliga a realizar pruebas y exploraciones constantes en aplicaciones prácticas, lo que incrementa el coste y el tiempo de procesamiento.

La tecnología de corte de alta velocidad tiene un gran potencial para mejorar la eficiencia de la producción debido a su alta velocidad, alta precisión y alta calidad superficial. En primer lugar, el corte de alta velocidad puede acortar significativamente el ciclo de producción. Por ejemplo, en la industria automotriz, esta tecnología permite procesar rápidamente componentes clave como bloques de motor y carcasas de transmisión, reduciendo considerablemente el tiempo de procesamiento y mejorando la eficiencia de la producción. Según las estadísticas pertinentes, tras la adopción de la tecnología de corte de alta velocidad, el tiempo de procesamiento de las autopartes puede reducirse entre un 30 % y un 50 %. En segundo lugar, la tecnología de corte de alta velocidad puede reducir los costos de procesamiento. Dado que permite realizar procesos de mecanizado en bruto, semiacabado y acabado, se reduce el uso de procesos y herramientas, disminuyendo así los costos de producción. Tomando como ejemplo la fabricación de moldes, la tecnología de corte de alta velocidad puede reducir el uso de electroerosión, disminuir los costos de procesamiento y mejorar la precisión y la calidad superficial del molde. Además, la tecnología de corte de alta velocidad también puede mejorar la calidad del producto. Al cortar a alta velocidad, la fuerza de corte y la vibración son pequeñas, lo que permite procesar piezas de gran precisión y reduce la rugosidad de la superficie en 1 o 2 niveles, satisfaciendo así las necesidades de la industria manufacturera moderna en cuanto a productos de alta precisión.

El desarrollo de la tecnología de corte de alta velocidad impulsará el desarrollo de la industria de fabricación de maquinaria hacia la alta eficiencia, la alta precisión, la alta flexibilidad y la sostenibilidad. Por un lado, la aplicación de esta tecnología fomentará el progreso tecnológico de la industria. La tecnología de corte de alta velocidad requiere el apoyo de diversas tecnologías avanzadas, como máquinas herramienta de corte de alta velocidad, herramientas de corte de alta velocidad y sistemas de control numérico de alto rendimiento. El desarrollo de estas tecnologías impulsará el nivel técnico de toda la industria de fabricación de maquinaria. Por ejemplo, la investigación y el desarrollo de máquinas herramienta de corte de alta velocidad requieren tecnología avanzada de husillo, tecnología de sistema de alimentación y tecnología de diseño estructural. Los avances en estas tecnologías proporcionarán equipos de procesamiento más avanzados para la industria de fabricación de maquinaria. Por otro lado, la promoción de la tecnología de corte de alta velocidad mejorará la competitividad de la industria de fabricación de maquinaria. En el contexto de una competencia cada vez más feroz en la industria manufacturera global, la tecnología de corte de alta velocidad puede mejorar la calidad del producto, reducir los costos de producción, acortar el ciclo de producción y otorgar ventajas competitivas a las empresas. Tomando como ejemplo la industria de fabricación aeroespacial, la tecnología de corte de alta velocidad permite procesar materiales ligeros como la aleación de aluminio y la aleación de titanio, mejorar el rendimiento y la seguridad de las aeronaves y aumentar la competitividad de las empresas en el mercado internacional.

En el futuro, la investigación en tecnologías clave de corte de alta velocidad se orientará hacia una mayor velocidad, precisión e inteligencia. En cuanto a las máquinas herramienta de corte de alta velocidad, se mejorarán la velocidad del husillo y la velocidad de avance, y se desarrollarán sistemas de husillo y avance más avanzados para aumentar la rigidez y la estabilidad de la máquina herramienta. Por ejemplo, el sistema de husillo que utiliza tecnología de levitación magnética y presión aerostática puede alcanzar más de 100 000 RPM; el sistema de avance que utiliza motor lineal y tecnología de retroalimentación de escala de rejilla puede acelerar hasta 5g y la precisión de posicionamiento puede alcanzar el nivel micrométrico. En cuanto a las herramientas de corte de alta velocidad, se desarrollarán materiales y tecnologías de recubrimiento más avanzados para mejorar la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia al calor de las herramientas. Por ejemplo, la dureza de la herramienta que utiliza tecnología de nanorrevestimiento puede aumentar de 2 a 3 veces, y la resistencia al desgaste puede aumentar de 5 a 10 veces. En cuanto a los sistemas de control numérico, se desarrollarán tecnologías de programación y algoritmos de control más avanzados para mejorar la velocidad de cálculo y la capacidad de procesamiento de datos de los sistemas de control numérico. Por ejemplo, los sistemas de control numérico que utilizan tecnología de inteligencia artificial y tecnología de análisis de macrodatos pueden optimizar automáticamente los parámetros de corte según las características de los materiales y las herramientas de mecanizado, mejorando la eficiencia y la calidad del procesamiento.

A nivel de aplicación, la tecnología de corte de alta velocidad seguirá expandiendo su campo de aplicación y alcanzando un mayor número de usos. Por un lado, se utilizará más ampliamente en la industria manufacturera tradicional. Por ejemplo, en los sectores de fabricación de maquinaria, automóviles y aeroespacial, la tecnología de corte de alta velocidad sustituirá gradualmente a la tecnología de corte tradicional y se convertirá en el método de procesamiento principal. Por otro lado, se aplicará en el sector manufacturero emergente. Por ejemplo, en los campos de la impresión 3D, la micro y nanofabricación, la fabricación biomédica, etc., la tecnología de corte de alta velocidad se puede combinar con otras tecnologías de fabricación avanzadas para lograr el mecanizado de alta precisión de piezas de formas complejas. Además, la tecnología de corte de alta velocidad se desarrollará hacia la fabricación sostenible. Por ejemplo, el uso de la tecnología de corte en seco y la tecnología de microlubricación puede reducir el consumo de fluidos de corte, disminuir la contaminación ambiental y lograr una fabricación sostenible.