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Mecanizado

La máquina CNC vierte refrigerante para evitar que la herramienta y las piezas se calienten. Máquina torno El mecanizado es un proceso de fabricación en el que se crea una forma...

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La máquina CNC vierte refrigerante para evitar que la herramienta y las piezas se calienten.
Máquina torno

El mecanizado es un proceso de fabricación en el que se crea una forma o pieza deseada mediante la eliminación controlada de material, generalmente metal, de una pieza más grande de materia prima mediante corte . El mecanizado es una forma de fabricación sustractiva , [ 1 ] que utiliza máquinas herramienta , a diferencia de la fabricación aditiva (por ejemplo , impresión 3D ), que utiliza la adición controlada de material.

El mecanizado es un proceso fundamental en la fabricación de muchos productos metálicos , pero también puede utilizarse en otros materiales como madera , plástico , cerámica y materiales compuestos . [ 2 ] Una persona especializada en mecanizado se denomina maquinista . Como actividad comercial, el mecanizado se realiza generalmente en un taller mecánico , que consta de una o más salas de trabajo con las principales máquinas herramienta. Si bien un taller mecánico puede ser una operación independiente, muchas empresas mantienen talleres mecánicos o salas de herramientas internas que satisfacen sus necesidades especializadas. Gran parte del mecanizado moderno utiliza control numérico computarizado (CNC), en el que las computadoras controlan el movimiento y el funcionamiento de fresadoras , tornos y otras máquinas de corte.

Historia y terminología

Un maquinista durante la  Primera Guerra Mundial

El significado preciso del término mecanizado ha cambiado en el último siglo y medio a medida que la tecnología ha avanzado en diversos aspectos. En el siglo XVIII, la palabra maquinista designaba a una persona que construía o reparaba máquinas . Su trabajo se realizaba principalmente a mano, mediante procesos como el tallado de madera , la forja y el limado manual de metales. En aquella época, los molineros y constructores de nuevos tipos de máquinas (es decir, máquinas de cualquier tipo), como James Watt o John Wilkinson , encajarían en esta definición. El sustantivo máquina herramienta y el verbo mecanizar ( mecanizado, mecanizando ) aún no existían. [ 3 ]

Hacia mediados del siglo XX, se acuñaron estos últimos términos a medida que los conceptos que describían evolucionaron hasta convertirse en algo común. Por lo tanto, durante la Era de la Máquina , el mecanizado se refería a (lo que hoy podríamos llamar) los procesos de mecanizado "tradicionales", como el torneado , el mandrinado , el taladrado , el fresado , el brochado , el aserrado , el conformado , el cepillado , el corte abrasivo , el escariado y el roscado . [ 4 ] En estos procesos de mecanizado "tradicionales" o "convencionales", se utilizan máquinas herramienta , como tornos , fresadoras , taladros u otras, con una herramienta de corte afilada para eliminar material y lograr la geometría deseada. [ 5 ]

Desde la aparición de nuevas tecnologías en la posguerra, como el mecanizado por descarga eléctrica , el mecanizado electroquímico , el mecanizado por haz de electrones , el mecanizado fotoquímico y el mecanizado ultrasónico , el término «mecanizado convencional» se utiliza para diferenciar estas tecnologías clásicas de las más recientes. Actualmente, el término «mecanizado» sin ninguna especificación suele referirse a los procesos de mecanizado tradicionales.

En las décadas de 2000 y 2010, a medida que la fabricación aditiva (FA) evolucionó más allá de sus contextos iniciales de laboratorio y prototipado rápido y comenzó a convertirse en estándar en todas las fases de la fabricación, el término fabricación sustractiva se popularizó como retronónimo , en contraste lógico con FA, abarcando esencialmente cualquier proceso de remoción que también había sido cubierto por el término mecanizado . Ambos términos son prácticamente sinónimos , aunque el uso establecido del término mecanizado continúa. Esto es comparable a la idea de que el sentido verbal de contacto evolucionó debido a la proliferación de formas de contactar a alguien (teléfono, correo electrónico, mensajería instantánea, SMS, etc.), pero no reemplazó por completo los términos anteriores como llamar , hablar con o escribir a . [ 6 ]

Un operario de una "célula de mecanizado de control numérico" supervisa la fabricación de una pieza de un avión B-1B .

Operaciones de mecanizado

El mecanizado es cualquier proceso en el que una herramienta de corte elimina material de la pieza de trabajo (a menudo denominada "pieza"). En el mecanizado tradicional, se requiere un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza para eliminar material; los procesos de mecanizado no tradicionales utilizan otros métodos de eliminación de material, como la corriente eléctrica en el mecanizado por descarga eléctrica ( EDM ). Este movimiento relativo se logra en la mayoría de las operaciones de mecanizado mediante el desplazamiento (rotacional o lateral) de la herramienta o de la pieza. La forma de la herramienta, el movimiento relativo y su penetración en la pieza determinan la forma deseada de la superficie resultante.

Las operaciones de mecanizado se pueden dividir en operaciones tradicionales y no tradicionales. Dentro de las operaciones tradicionales, existen dos categorías de mecanizado según la forma que se mecaniza: formas circulares, que incluyen torneado, mandrinado, taladrado, escariado, roscado y otras; y formas rectas, que incluyen fresado, brochado, aserrado, rectificado y conformado.

Herramienta de corte

Una herramienta de corte tiene uno o más filos afilados y está hecha de un material más duro que el material de trabajo. El filo sirve para separar la viruta del material de trabajo original. Al filo se unen las dos superficies de la herramienta:

  • La cara rastrillada; y
  • El flanco.

La cara de ataque, que dirige el flujo de la viruta recién formada, está orientada en un cierto ángulo y se denomina ángulo de ataque "α". Se mide con respecto al plano perpendicular a la superficie de trabajo. El ángulo de ataque puede ser positivo o negativo. El flanco de la herramienta proporciona un espacio libre entre la herramienta y la superficie de trabajo recién formada, protegiendo así la superficie de la abrasión, que degradaría el acabado. Este ángulo entre las superficies de trabajo y flanco se denomina ángulo de desprendimiento. Existen dos tipos básicos de herramientas de corte:

  • Herramienta de un solo punto; y
  • Herramienta de múltiples filos

Una herramienta de un solo filo tiene una única arista de corte para tornear, taladrar y cepillar. Durante el mecanizado, la punta de la herramienta penetra por debajo de la superficie original de la pieza. A veces, la punta se redondea a un radio determinado, llamado radio de la punta.

Las herramientas de múltiples filos tienen más de un filo y, por lo general, logran su movimiento con respecto a la pieza de trabajo mediante rotación. El taladrado y el fresado utilizan herramientas de torneado de múltiples filos. Si bien la forma de estas herramientas difiere de la de una herramienta de un solo filo, muchos elementos de su geometría son similares.

Una fresadora Cincinnati con barra de mandrinar acoplada a la caja de la pala

Formación de chips

La formación de virutas durante el mecanizado se produce por la deformación plástica severa del material en la zona de cizallamiento primaria delante de la herramienta de corte. La morfología y la fragmentación de las virutas dependen de los parámetros de corte, la geometría de la herramienta y la microestructura del material de la pieza. Pueden formarse virutas continuas, segmentadas o discontinuas según las propiedades mecánicas y los mecanismos de deformación del metal que se está mecanizando. [ 7 ] [ 8 ]

La morfología y la fragmentación de las virutas formadas durante el mecanizado están fuertemente influenciadas por la microestructura de los aceros y por factores ambientales como la absorción de hidrógeno. El hidrógeno puede acumularse en los defectos de la red cristalina y alterar los procesos de deformación plástica localizada en la zona de corte, afectando la segmentación de la viruta y la formación de microfisuras en la capa superficial. [ 9 ] [ 10 ]

mecanizado tradicional

Operaciones de mecanizado circular

  • Las operaciones de torneado implican la rotación de la superficie exterior de la pieza contra una herramienta de corte fija que se introduce en ella. La rotación de la pieza es el método para generar un movimiento relativo con respecto a la herramienta. Los tornos son la principal máquina herramienta utilizada en el torneado.
  • El mandrinado consiste en el mecanizado de la superficie interna de un agujero para aumentar su diámetro. Esto se puede realizar haciendo girar la pieza en un torno (también llamado torneado interno) o en una fresadora, donde una herramienta gira alrededor de la circunferencia del agujero.
  • Las operaciones de perforación consisten en la creación o el perfeccionamiento de agujeros mediante una herramienta de corte giratoria (generalmente una broca) con filos de corte en la cara inferior y el borde, que entra en contacto axial con la pieza de trabajo. Estas operaciones pueden realizarse en un torno, fresadora o taladro, o incluso a mano.
  • El roscado o el machuelado implican el corte de una hélice definida ( rosca ) en un orificio (machuelado o roscado) o en un eje (roscado), con un paso constante y una geometría específica diseñada para aceptar la rosca opuesta y el objeto en un movimiento de giro para unir elementos (por ejemplo, una tuerca y un perno).

Mecanizado de diversas formas

  • El proceso de aserrado consiste en crear piezas más pequeñas a partir de barras de material, utilizando una sierra o máquina de corte que hace pasar una hoja dentada giratoria (sierra circular) o lineal (sierra de cinta) contra el material para realizar un corte (grosor) hasta partirlo en dos. Dependiendo del material, puede ser necesaria una velocidad de la hoja determinada (en metros por minuto o pies por minuto), medida como la velocidad lineal de los dientes, que puede oscilar entre 200 y 1000 pies por minuto.
  • Las operaciones de fresado son aquellas en las que la herramienta de corte, con sus filos a lo largo de su cara cilíndrica, se presiona contra una pieza de trabajo para eliminar material en el perfil del vástago y el borde inferior de la herramienta giratoria. [ 11 ] Las fresadoras son la principal máquina herramienta utilizada en el fresado. Las máquinas CNC avanzadas pueden combinar operaciones de torneado y fresado.
  • El brochado puede referirse a dos operaciones: brochado lineal, donde una herramienta dentada múltiple se presiona a través de un orificio para cortar la forma deseada (por ejemplo, una estría, un cuadrado o un hexágono) o a lo largo de una superficie mediante cortes cada vez mayores realizados por los dientes de tamaño creciente de la brocha; o brochado rotativo, donde una herramienta con ángulo de inclinación gira en un portaherramientas especial que la hace oscilar alrededor de un eje descentrado, mientras que la herramienta y la pieza de trabajo se acoplan durante el mecanizado para cortar la forma deseada. Cuando se realiza en un torno, la pieza de trabajo y la herramienta de corte giran juntas, mientras que el portaherramientas permanece estático en el contrapunto; cuando se realiza en una fresadora, la herramienta de corte se detiene una vez que entra en contacto con la pieza de trabajo, oscilando únicamente alrededor del eje descentrado, mientras que el portaherramientas gira en la fresadora.
  • Las operaciones de conformado son aquellas que eliminan material de una pieza mediante el movimiento lineal de una herramienta de corte fija, que se desliza a lo largo de la superficie de la pieza y está diseñada para cortar geometrías planas. Una máquina conformadora suele utilizar herramientas de acero de alta velocidad, similares en forma y geometría a las herramientas de torno. El conformado es similar al torneado, pero en un eje lineal en lugar de uno circular. Las operaciones de conformado se realizan con una máquina conformadora , que se mueve hacia adelante y hacia atrás, pero corta solo en una dirección. Se utiliza una caja de elevación para levantar la herramienta de la pieza y permitir su movimiento hacia atrás.
  • Las operaciones de rectificado consisten en hacer pasar un material abrasivo de rápido movimiento/rotación, como piedra, óxido de aluminio o diamante, contra una pieza de trabajo para eliminar material mediante el desgaste con la superficie abrasiva de la herramienta.
Los diferentes tipos de EDM para taladrar un agujero o para mecanizar una superficie.

Mecanizado no tradicional

  • Mecanizado por haz de plasma
  • El mecanizado por chorro de agua consiste en cortar la pieza mediante un chorro de agua (generalmente acompañado de un material abrasivo como el granate) que atraviesa completamente el espesor de la pieza. Una cortadora de chorro de agua puede ser de 2 ejes para producir formas bidimensionales, o de 5 ejes para producir prácticamente cualquier forma tridimensional.
  • Las operaciones de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) implican la eliminación de material de una pieza mediante una varilla metálica cargada eléctricamente, o alambre (EDM por alambre), que vaporiza el material. Esto se puede utilizar para mecanizar agujeros o cortar una forma específica de otra pieza. Una ventaja del EDM es que puede producir un corte muy fino , y el alambre puede pasar a través de un agujero, lo que permite cortar formas complejas de una pieza sin cortar el borde de la misma, permitiendo así la fabricación de enchufes y tomas de corriente que encajan a la perfección.
  • El mecanizado de alta velocidad (HSM) es una técnica de fabricación avanzada que implica el uso de altas velocidades de husillo, velocidades de avance rápidas y parámetros de corte optimizados para aumentar significativamente las tasas de remoción de material, manteniendo la precisión y la calidad superficial. Desarrollado originalmente para las industrias aeroespacial y de fabricación de moldes, el HSM permite el mecanizado eficiente de materiales duros y difíciles de cortar, como titanio, aceros endurecidos y materiales compuestos. El proceso reduce la distorsión térmica y el desgaste de la herramienta al minimizar el tiempo de contacto entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo, incorporando a menudo herramientas especializadas, máquinas herramienta de alto rendimiento y programación CAM avanzada. El mecanizado de alta velocidad se aplica ampliamente en industrias que requieren geometrías complejas, tolerancias estrictas y acabados superficiales superiores, lo que contribuye a reducir el tiempo de producción y mejorar el rendimiento de los componentes. [ 12 ]

Una pieza sin terminar que requiere mecanizado debe ser sometida a un proceso de eliminación de material para obtener un producto terminado. Un producto terminado sería una pieza que cumple con las especificaciones establecidas en los planos o dibujos de ingeniería . Por ejemplo, una pieza puede requerir un diámetro exterior específico. Un torno es una máquina herramienta que puede crear dicho diámetro mediante la rotación de una pieza metálica, permitiendo que una herramienta de corte elimine el metal y cree una superficie lisa y redonda que coincida con el diámetro y el acabado superficial requeridos. Un taladro puede eliminar el metal en forma de orificio cilíndrico. Otras herramientas que se pueden utilizar para la eliminación de metal son las fresadoras, las sierras y las rectificadoras . Muchas de estas mismas técnicas se utilizan en la carpintería .

El mecanizado requiere prestar atención a numerosos detalles para que una pieza cumpla con las especificaciones de los planos o dibujos técnicos. Además de los problemas evidentes relacionados con las dimensiones correctas, existe el desafío de lograr el acabado o la suavidad superficial adecuados. Un acabado deficiente en la superficie mecanizada puede deberse a una sujeción incorrecta , una herramienta desafilada o una presentación inadecuada del dispositivo. Con frecuencia, este acabado superficial deficiente, conocido como vibración, se manifiesta como un patrón ondulado o irregular en las superficies mecanizadas de la pieza.

Condiciones de corte

Fabricación de una tapa de alcantarilla en el taller mecánico del portaaviones USS John C. Stennis.

Para realizar una operación de mecanizado, se requiere movimiento relativo entre la herramienta y la pieza de trabajo. La acción principal se realiza a una velocidad de corte específica . Además, el dispositivo debe moverse lateralmente sobre la pieza de trabajo. Este movimiento, mucho más lento, se denomina avance. La dimensión restante del corte es la penetración de la herramienta de corte por debajo de la superficie original de la pieza de trabajo, hasta alcanzar la profundidad de corte. La velocidad, el avance y la profundidad de corte se denominan condiciones de corte. [ 13 ] Estas condiciones conforman las tres dimensiones del proceso de mecanizado y, para ciertas operaciones, su producto puede utilizarse para obtener la tasa de remoción de material del proceso.

RMETROR=vFd{\displaystyle {R}_{MR}=vfd\,\!}

dónde

  • RMETROR{\displaystyle {R}_{MR}\,\!}– la tasa de remoción de material en mm 3 /s , ( en 3 /s ),
  • v{\displaystyle v\,\!}– la velocidad de corte en mm/s , ( pulg/min ),
  • F{\displaystyle f\,\!}– el avance en mm , ( in ),
  • d{\displaystyle d\,\!}– la profundidad de corte en mm , ( in ).
Nota: Todas las unidades deben convertirse a las unidades decimales (o USCU ) correspondientes.

Etapas en el corte de metales

Las operaciones de mecanizado generalmente se dividen en dos categorías, que se distinguen por su propósito y las condiciones de corte :

  • Cortes bastos
  • Cortes de acabado

Los cortes de desbaste se utilizan para eliminar una gran cantidad de material de la pieza de trabajo inicial lo más rápidamente posible, es decir, con una tasa de remoción de material (MRR) significativa, para producir una forma cercana a la forma deseada pero dejando algo de material en la pieza para una operación de acabado posterior. Los cortes de acabado completan la pieza y logran la dimensión, las tolerancias y el acabado superficial finales. En trabajos de mecanizado de producción, generalmente se realizan uno o más cortes de desbaste en la pieza de trabajo, seguidos de uno o dos cortes de acabado. Las operaciones de desbaste se realizan con avances y profundidades elevadas: avances de 0,4–1,25  mm/rev (0,015–0,050  in/rev) y profundidades de 2,5–20  mm (0,100–0,750  in) son típicos, pero los valores reales dependen de los materiales de la pieza de trabajo. Las operaciones de acabado se realizan con avances y profundidades bajas: los avances típicos son de 0,0125–0,04  mm/rev (0,0005–0,0015  pulg/rev) y las profundidades de 0,75–2,0  mm (0,030–0,075  pulg). Las velocidades de corte son menores en el desbaste que en el acabado.

A menudo se aplica un fluido de corte durante el proceso de mecanizado para enfriar y lubricar la herramienta de corte. Determinar si se debe utilizar un fluido de corte y, en caso afirmativo, elegir el fluido adecuado, suele estar incluido en el análisis de las condiciones de corte.

Actualmente, otras formas de corte de metales están ganando popularidad. Un ejemplo de ello es el corte por chorro de agua. Este proceso utiliza agua a presión superior a 620  MPa (90 000  psi) y permite cortar metal y obtener un producto acabado. Se denomina corte en frío, lo que elimina el daño causado por la zona afectada por el calor, a diferencia del corte por láser y plasma .

Relación entre técnicas sustractivas y aditivas

Con la reciente proliferación de tecnologías de fabricación aditiva , el mecanizado convencional se ha clasificado, tanto en el pensamiento como en el lenguaje, como un método de fabricación sustractiva . En contextos específicos, los métodos aditivos y sustractivos pueden competir entre sí. En el contexto más amplio de industrias enteras, su relación es complementaria. Cada método tiene sus ventajas sobre el otro. Si bien los métodos de fabricación aditiva pueden producir diseños de prototipos muy complejos, imposibles de replicar mediante mecanizado, la resistencia y la selección de materiales pueden ser limitadas. [ 14 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ "MAS.863/4.140J-P7" . Fab Central . Instituto Tecnológico de Massachusetts . Consultado el 22 de agosto de 2016 .
  2. ↑ "Página de mecanizado" . CYBERMAN . Página de investigación de John W. Sutherland. Archivado del original el 8 de septiembre de 2018. Consultado el 5 de octubre de 2011 .
  3. ↑ "Mecanizado" . intradefairs.com . Consultado el 6 de enero de 2025 .
  4. ↑ "Mecanizado: Una introducción" . eFunda . Archivado del original el 7 de febrero de 2024.
  5. ↑ "La fabricación aditiva da un paso más" . American Machinist . 10 de mayo de 2007. Archivado del original el 1 de abril de 2012.
  6. ↑ "Nuestro proceso de fabricación, parte I" . chapter-07-18.hugoinaction.com . 2019-01-01 . Consultado el 2025-01-06 .
  7. ↑ Shaw, Milton C. (2005). Principios del corte de metales (2.ª ed.). Oxford University Press. ISBN  9780195142068.
  8. ↑ Trent, EM; Wright, PK (2000). Corte de metales (4.ª ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN  9780750670692.
  9. ↑ Balitskii, OA; Kolesnikov, VO; Balitskii, AI; Eliasz, J.; Havrilyuk, MR (2020). "Efecto del hidrógeno en las propiedades superficiales del acero con alto contenido de níquel durante el mecanizado y el desgaste con lubricantes". Archives of Materials Science and Engineering . 104 (2): 49– 57. doi : 10.5604/01.3001.0014.4894 .
  10. ↑ Kolesnikov, V. (2025). "La influencia de los parámetros de la microestructura en la formación de productos de corte durante el mecanizado de piezas de aceros 38KhN3MFA teniendo en cuenta la influencia del hidrógeno". Tecnologías avanzadas e innovadoras: colaboración interdisciplinaria en ciencia de los materiales . Avances en ciencia, tecnología e innovación. Cham: Springer. pp. 77–88 . doi : 10.1007/978-3-032-00373-7_7 . 
  11. ↑ Fu, Guoyu; Huo, Dehong; Shyha, Islam; Pancholi, Ketan; Saharudin, Mohd Shahneel (julio de 2019). " Investigación experimental sobre el micromecanizado de nanocompuestos de nanoarcilla de poliéster/halloysita" . Nanomaterials . 9 (7): 917. doi : 10.3390/nano9070917 . ISSN 2079-4991 . PMC 6669872. PMID 31247963 .   
  12. ↑ HERBERT SCHULZ. "La historia del mecanizado de alta velocidad" . Universidad Estatal de Pensilvania .
  13. ↑ "Velocidades y velocidades" . staff.mica.edu . Archivado del original el 13 de septiembre de 2016. Consultado el 22 de agosto de 2016 .
  14. ↑ INVESTIGACIÓN SOBRE FABRICACIÓN ADITIVA/SUSTRACTIVA

Bibliografía

  • Albert, Mark (2011-01-17), "Sustractivo más aditivo es igual a más que ( - + + = > )" , Mark: My Word, Modern Machine Shop , 83 (9), Cincinnati, Ohio, EE. UU.: Gardner Publications Inc: 14.

Lecturas adicionales

  • Groover, Mikell P. (2007), "Teoría del mecanizado de metales", Fundamentos de la fabricación moderna (3.ª  ed.), John Wiley & Sons, Inc., págs. 491–504 , ISBN  978-0-471-74485-6
  • Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; McCauley, Christopher J.; Heald, Ricardo M. (2004), Manual de maquinaria (27.ª  ed.), Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2700-8.
  • "Prácticas de máquinas herramienta", 6.ª edición, por RR; Kibbe, JE; Neely, RO; Meyer y WT; White, ISBN 0-13-270232-0, 2ª edición, copyright 1999, 1995, 1991, 1987, 1982 y 1979 por Prentice Hall.