El mecanitzat de precisió és un procés per eliminar material d'una peça durant el manteniment d'acabats de tolerància ajustada. La màquina de precisió té molts tipus, com ara fresat, tornejat i mecanitzat per descàrrega elèctrica. Una màquina de precisió avui dia generalment es controla mitjançant un control numèric per ordinador (CNC).
Gairebé tots els productes metàl·lics utilitzen mecanitzat de precisió, igual que molts altres materials com el plàstic i la fusta. Aquestes màquines són operades per maquinistes especialitzats i formats. Perquè l'eina de tall faci la seva feina, s'ha de moure en les direccions especificades per fer el tall correcte. Aquest moviment primari s'anomena "velocitat de tall". La peça també es pot moure, conegut com a moviment secundari d'"avanç". Junts, aquests moviments i la nitidesa de l'eina de tall permeten que la màquina de precisió funcioni.
El mecanitzat de precisió de qualitat requereix la capacitat de seguir plànols extremadament específics fets per programes CAD (disseny assistit per ordinador) o CAM (fabricació assistida per ordinador) com AutoCAD i TurboCAD. El programari pot ajudar a produir els diagrames o esquemes complexos i tridimensionals necessaris per fabricar una eina, màquina o objecte. Aquests plànols s'han de seguir amb gran detall per garantir que un producte conservi la seva integritat. Tot i que la majoria de les empreses de mecanitzat de precisió treballen amb algun tipus de programa CAD/CAM, encara treballen sovint amb esbossos dibuixats a mà en les fases inicials d'un disseny.
El mecanitzat de precisió s'utilitza en diversos materials, com ara l'acer, el bronze, el grafit, el vidre i els plàstics, per anomenar-ne alguns. Depenent de la mida del projecte i dels materials que s'utilitzin, s'utilitzaran diverses eines de mecanitzat de precisió. Es pot utilitzar qualsevol combinació de torns, fresadores, premses de trepant, serres i rectificadores, i fins i tot robòtica d'alta velocitat. La indústria aeroespacial pot utilitzar el mecanitzat d'alta velocitat, mentre que una indústria de fabricació d'eines de fusteria pot utilitzar processos de gravat i fresat fotoquímics. La producció d'una tirada, o d'una quantitat específica de qualsevol article en particular, pot ser de milers o només uns pocs. El mecanitzat de precisió sovint requereix la programació de dispositius CNC, la qual cosa significa que estan controlats numèricament per ordinador. El dispositiu CNC permet seguir dimensions exactes durant tota la tirada d'un producte.
El fresat és el procés de mecanitzat que consisteix a utilitzar talladores rotatives per eliminar material d'una peça avançant (o introduint) la talladora a la peça en una direcció determinada. La talladora també es pot mantenir en un angle relatiu a l'eix de l'eina. El fresat cobreix una àmplia varietat d'operacions i màquines diferents, a escales des de petites peces individuals fins a grans operacions de fresat en grup de gran resistència. És un dels processos més utilitzats per mecanitzar peces personalitzades amb toleràncies precises.
El fresat es pot fer amb una àmplia gamma de màquines-eina. La classe original de màquines-eina per al fresat va ser la fresadora (sovint anomenada molí). Després de l'arribada del control numèric per ordinador (CNC), les fresadores van evolucionar cap a centres de mecanitzat: fresadores augmentades per canviadors d'eines automàtics, carregadors d'eines o carrusels, capacitat CNC, sistemes de refrigeració i tancaments. Els centres de fresat es classifiquen generalment com a centres de mecanitzat verticals (VMC) o centres de mecanitzat horitzontals (HMC).
La integració del fresat en entorns de tornejat, i viceversa, va començar amb eines motoritzades per a torns i l'ús ocasional de fresadores per a operacions de tornejat. Això va conduir a una nova classe de màquines-eina, les màquines multitasca (MTM), que estan dissenyades específicament per facilitar el fresat i el tornejat dins del mateix àmbit de treball.
Per als enginyers de disseny, els equips d'R+D i els fabricants que depenen de l'aprovisionament de peces, el mecanitzat CNC de precisió permet la creació de peces complexes sense processament addicional. De fet, el mecanitzat CNC de precisió sovint permet que les peces acabades es fabriquin en una sola màquina.
El procés de mecanitzat elimina material i utilitza una àmplia gamma d'eines de tall per crear el disseny final, i sovint molt complex, d'una peça. El nivell de precisió es millora mitjançant l'ús del control numèric per ordinador (CNC), que s'utilitza per automatitzar el control de les eines de mecanitzat.
El paper del "CNC" en el mecanitzat de precisió
Mitjançant instruccions de programació codificades, el mecanitzat CNC de precisió permet tallar i modelar una peça segons les especificacions sense la intervenció manual d'un operador de la màquina.
A partir d'un model de disseny assistit per ordinador (CAD) proporcionat per un client, un maquinista expert utilitza programari de fabricació assistida per ordinador (CAM) per crear les instruccions per mecanitzar la peça. Basant-se en el model CAD, el programari determina quines trajectòries d'eina són necessàries i genera el codi de programació que indica a la màquina:
■ Quines són les RPM i les velocitats d'avanç correctes
■ Quan i on cal moure l'eina i/o la peça
■ A quina profunditat cal tallar
■ Quan s'ha d'aplicar refrigerant
■ Qualsevol altre factor relacionat amb la velocitat, la velocitat d'avanç i la coordinació
Un controlador CNC utilitza el codi de programació per controlar, automatitzar i supervisar els moviments de la màquina.
Avui dia, el CNC és una característica integrada en una àmplia gamma d'equips, des de torns, fresadores i fresadores fins a electroerosió per fil (mecanitzat per descàrrega elèctrica), làser i màquines de tall per plasma. A més d'automatitzar el procés de mecanitzat i millorar la precisió, el CNC elimina les tasques manuals i allibera els maquinistes per supervisar diverses màquines que funcionen alhora.
A més, un cop s'ha dissenyat una trajectòria d'eina i s'ha programat una màquina, aquesta pot executar una peça qualsevol nombre de vegades. Això proporciona un alt nivell de precisió i repetibilitat, cosa que fa que el procés sigui altament rendible i escalable.
Materials que es mecanitzen
Alguns metalls que es mecanitzen habitualment inclouen l'alumini, el llautó, el bronze, el coure, l'acer, el titani i el zinc. A més, també es pot mecanitzar fusta, escuma, fibra de vidre i plàstics com el polipropilè.
De fet, gairebé qualsevol material es pot utilitzar amb el mecanitzat CNC de precisió, és clar, depenent de l'aplicació i els seus requisits.
Alguns avantatges del mecanitzat CNC de precisió
Per a moltes de les peces i components petits que s'utilitzen en una àmplia gamma de productes fabricats, el mecanitzat CNC de precisió sovint és el mètode de fabricació preferit.
Com passa amb pràcticament tots els mètodes de tall i mecanitzat, els diferents materials es comporten de manera diferent, i la mida i la forma d'un component també tenen un gran impacte en el procés. Tanmateix, en general, el procés de mecanitzat CNC de precisió ofereix avantatges respecte a altres mètodes de mecanitzat.
Això és degut a que el mecanitzat CNC és capaç d'oferir:
■ Un alt grau de complexitat de les peces
■ Toleràncies ajustades, que normalment van des de ±0,0002" (±0,00508 mm) fins a ±0,0005" (±0,0127 mm)
■ Acabats superficials excepcionalment llisos, inclosos acabats personalitzats
■ Repetibilitat, fins i tot a volums elevats
Mentre que un maquinista expert pot utilitzar un torn manual per fabricar una peça de qualitat en quantitats de 10 o 100, què passa quan es necessiten 1.000 peces? 10.000 peces? 100.000 o un milió de peces?
Amb el mecanitzat CNC de precisió, podeu obtenir l'escalabilitat i la velocitat necessàries per a aquest tipus de producció d'alt volum. A més, l'alta repetibilitat del mecanitzat CNC de precisió us proporciona peces que són totes iguals de principi a fi, independentment de quantes peces produïu.
Hi ha alguns mètodes molt especialitzats de mecanitzat CNC, com ara l'electroerosió per fil (mecanitzat per descàrrega elèctrica), el mecanitzat additiu i la impressió làser 3D. Per exemple, l'electroerosió per fil utilitza materials conductors (normalment metalls) i descàrregues elèctriques per erosionar una peça i donar-li formes complexes.
Tanmateix, aquí ens centrarem en els processos de fresat i tornejat, dos mètodes subtractius que estan àmpliament disponibles i s'utilitzen amb freqüència per al mecanitzat CNC de precisió.
Fresat vs. tornejat
El fresat és un procés de mecanitzat que utilitza una eina de tall cilíndrica giratòria per eliminar material i crear formes. L'equip de fresat, conegut com a fresadora o centre de mecanitzat, aconsegueix un univers de geometries de peces complexes en alguns dels objectes metàl·lics mecanitzats més grans.
Una característica important del fresat és que la peça roman immòbil mentre l'eina de tall gira. En altres paraules, en una fresadora, l'eina de tall giratòria es mou al voltant de la peça, que roman fixada al seu lloc sobre un llit.
El tornejat és el procés de tallar o donar forma a una peça en un equip anomenat torn. Normalment, el torn fa girar la peça sobre un eix vertical o horitzontal mentre una eina de tall fixa (que pot estar girant o no) es mou al llarg de l'eix programat.
L'eina no pot girar físicament al voltant de la peça. El material gira, permetent que l'eina realitzi les operacions programades. (Hi ha un subconjunt de torns en què les eines giren al voltant d'un cable alimentat per bobina, però això no es tracta aquí.)
En el tornejat, a diferència del fresat, la peça gira. La peça gira sobre el cargol del torn i l'eina de tall entra en contacte amb la peça.
Mecanitzat manual vs. CNC
Tot i que tant els torns com els fresadors estan disponibles en models manuals, les màquines CNC són més adequades per a la fabricació de peces petites, ja que ofereixen escalabilitat i repetibilitat per a aplicacions que requereixen una producció d'alt volum de peces de tolerància ajustada.
A més d'oferir màquines senzilles de 2 eixos en què l'eina es mou en els eixos X i Z, els equips CNC de precisió inclouen models multieix en què la peça també es pot moure. Això contrasta amb un torn, on la peça es limita a girar i les eines es mouen per crear la geometria desitjada.
Aquestes configuracions multieix permeten la producció de geometries més complexes en una sola operació, sense requerir treball addicional per part de l'operador de la màquina. Això no només facilita la producció de peces complexes, sinó que també redueix o elimina la possibilitat d'error de l'operador.
A més, l'ús de refrigerant a alta pressió amb mecanitzat CNC de precisió garanteix que les encenalls no entrin a la màquina, fins i tot quan s'utilitza una màquina amb un eix orientat verticalment.
fresadores CNC
Les diferents fresadores varien en les seves mides, configuracions d'eixos, velocitats d'avanç, velocitat de tall, direcció d'avanç del fresat i altres característiques.
No obstant això, en general, totes les fresadores CNC utilitzen un eix giratori per tallar el material no desitjat. S'utilitzen per tallar metalls durs com l'acer i el titani, però també es poden utilitzar amb materials com el plàstic i l'alumini.
Les fresadores CNC estan construïdes per a la repetibilitat i es poden utilitzar per a tot, des de la creació de prototips fins a la producció d'alt volum. Les fresadores CNC de precisió d'alta gamma s'utilitzen sovint per a treballs de tolerància ajustada, com ara el fresat de matrius i motlles fins.
Tot i que el fresat CNC pot oferir un termini de lliurament ràpid, l'acabat tal com es fresa crea peces amb marques d'eina visibles. També pot produir peces amb algunes vores afilades i rebaves, de manera que poden ser necessaris processos addicionals si les vores i les rebaves són inacceptables per a aquestes característiques.
Per descomptat, les eines de desbarbat programades a la seqüència desbarbaran, tot i que normalment aconsegueixen el 90% del requisit acabat com a màxim, deixant algunes funcions per a l'acabat manual final.
Pel que fa a l'acabat superficial, hi ha eines que produiran no només un acabat superficial acceptable, sinó també un acabat semblant a un mirall en parts del producte treballat.
Tipus de fresadores CNC
Els dos tipus bàsics de fresadores es coneixen com a centres de mecanitzat verticals i centres de mecanitzat horitzontals, on la diferència principal rau en l'orientació del capçal de la màquina.
Un centre de mecanitzat vertical és una fresadora en què l'eix del cargol està alineat en la direcció de l'eix Z. Aquestes màquines verticals es poden dividir en dos tipus:
■ Freses de bancada, en què el fus es mou paral·lelament al seu propi eix mentre que la taula es mou perpendicularment a l'eix del fus
■ Fresadores de torreta, en què el cargol és fix i la taula es mou de manera que sempre sigui perpendicular i paral·lela a l'eix del cargol durant l'operació de tall
En un centre de mecanitzat horitzontal, l'eix del cargol de la fresadora està alineat en la direcció de l'eix Y. L'estructura horitzontal significa que aquestes fresadores tendeixen a ocupar més espai al taller; també solen ser més pesades i més potents que les màquines verticals.
Una fresadora horitzontal s'utilitza sovint quan es requereix un millor acabat superficial; això és degut a que l'orientació del mandril fa que les encenalls de tall caiguin naturalment i s'eliminin fàcilment. (Com a avantatge addicional, l'eliminació eficient de les encenalls ajuda a augmentar la vida útil de l'eina.)
En general, els centres de mecanitzat verticals són més freqüents perquè poden ser tan potents com els centres de mecanitzat horitzontals i poden manipular peces molt petites. A més, els centres verticals tenen una petjada més petita que els centres de mecanitzat horitzontals.
Fresadores CNC multieix
Els centres de fresat CNC de precisió estan disponibles amb múltiples eixos. Una fresadora de 3 eixos utilitza els eixos X, Y i Z per a una àmplia varietat de treballs. Amb una fresadora de 4 eixos, la màquina pot girar sobre un eix vertical i horitzontal i moure la peça per permetre un mecanitzat més continu.
Una fresadora de 5 eixos té tres eixos tradicionals i dos eixos rotatius addicionals, cosa que permet girar la peça a mesura que el capçal del mandril es mou al seu voltant. Això permet mecanitzar cinc cares d'una peça sense treure la peça i reiniciar la màquina.
Torns CNC
Un torn —també anomenat centre de tornejat— té un o més eixos i eixos X i Z. La màquina s'utilitza per girar una peça sobre el seu eix per realitzar diverses operacions de tall i conformació, aplicant una àmplia gamma d'eines a la peça.
Els torns CNC, que també s'anomenen torns d'accionament real, són ideals per crear peces cilíndriques o esfèriques simètriques. Igual que les fresadores CNC, els torns CNC poden gestionar operacions més petites com la creació de prototips, però també es poden configurar per a una alta repetibilitat, cosa que permet una producció d'alt volum.
Els torns CNC també es poden configurar per a una producció relativament mans lliures, cosa que els fa àmpliament utilitzats en les indústries de l'automoció, l'electrònica, l'aeroespacial, la robòtica i els dispositius mèdics.
Com funciona un torn CNC
Amb un torn CNC, es carrega una barra en brut de material brut al mandril del capçal del torn. Aquest mandril manté la peça al seu lloc mentre el capçal gira. Quan el capçal arriba a la velocitat requerida, una eina de tall estacionària entra en contacte amb la peça per treure material i aconseguir la geometria correcta.
Un torn CNC pot realitzar diverses operacions, com ara trepat, roscat, mandrinat, escariat, refrentat i tornejat cònic. Les diferents operacions requereixen canvis d'eina i poden augmentar el cost i el temps de configuració.
Quan totes les operacions de mecanitzat necessàries s'han completat, la peça es talla del material per a un processament posterior, si cal. El torn CNC està llavors llest per repetir l'operació, amb poc o cap temps de configuració addicional que normalment es requereix entremig.
Els torns CNC també poden allotjar una varietat d'alimentadors automàtics de barres, cosa que redueix la quantitat de manipulació manual de matèries primeres i ofereix avantatges com els següents:
■ Reduir el temps i l'esforç que requereix l'operador de la màquina
■ Suport a la barra per reduir les vibracions que poden afectar negativament la precisió
■ Permetre que la màquina-eina funcioni a velocitats òptimes del cargol
■ Minimitzar els temps de canvi
■ Reduir el malbaratament de materials
Tipus de torns CNC
Hi ha diversos tipus de torns, però els més comuns són els torns CNC de 2 eixos i els torns automàtics d'estil xinès.
La majoria dels torns CNC xinesos utilitzen un o dos eixos principals més un o dos eixos posteriors (o secundaris), amb la transferència rotativa responsable del primer. L'eix principal realitza l'operació de mecanitzat primària, amb l'ajuda d'un casquet guia.
A més, alguns torns d'estil xinès vénen equipats amb un segon capçal d'eines que funciona com una fresadora CNC.
Amb un torn automàtic CNC d'estil xinès, el material s'alimenta a través d'un eix de capçal lliscant cap a un casquet guia. Això permet que l'eina talli el material més a prop del punt on es recolza el material, cosa que fa que la màquina xinesa sigui especialment beneficiosa per a peces tornejades llargues i primes i per al micromecanitzat.
Els centres de tornejat CNC multieix i els torns d'estil xinès poden realitzar múltiples operacions de mecanitzat amb una sola màquina. Això els converteix en una opció rendible per a geometries complexes que, d'altra banda, requeririen múltiples màquines o canvis d'eina mitjançant equips com ara una fresadora CNC tradicional.