¿Qué se puede hacer con una fresadora de 5 ejes?

Puede sonar extraño, pero si el artista del Renacimiento hubiera cambiado el martillo y el cincel por un control numérico (CNC) y una fresadora, hoy tendríamos miles de estatuas de David hechas de todo tipo de materiales.

Si todavía tiene dudas de que el fresado de 5 ejes es una verdadera forma de arte, haga clic aquí o aquí.

Ya sea que esté esculpiendo una obra maestra en mármol o fresando un blisk en titanio, el principio básico es el mismo: Empieza con un bloque del material y retira las piezas sobrantes hasta que solo quede el objeto objetivo. Por supuesto, los detalles de este proceso son mucho más complicados, especialmente con el fresado de 5 ejes.

¿Qué es el fresado CNC de 5 ejes?

En pocas palabras, con el fresado de 5 ejes, un objeto o la herramienta de fresado se mueve simultáneamente a lo largo de cinco ejes diferentes mediante un control CNC. Esto permite mecanizar piezas muy complejas, razón por la cual la tecnología de 5 ejes ha demostrado su eficacia especialmente en la industria aeroespacial.

Sin embargo, esta no es la única razón por la que la tecnología de 5 ejes se ha generalizado. Otros factores son:

1, una tendencia hacia el procesamiento de objetos en una sola configuración (a veces denominado "hecho en uno") para reducir el tiempo de respuesta y mejorar la eficiencia
2 ， La posibilidad de prevenir accidentes en el trabajo inclinando el elemento de fresado o la mesa de fresado de forma controlada, lo que también permite coordinar mejor el proceso con la geometría del objeto respectivo.
3 ， La optimización de la vida útil de la herramienta y el ciclo de la herramienta como efecto secundario de la función de inclinación del elemento de fresado o la mesa de fresado antes mencionada al garantizar una posición de corte óptima y una tasa constante de arranque de viruta.

¿Qué pasa con los ejes en el proceso de mecanizado de 5 ejes?

Todos conocemos la historia de Newton y la manzana, pero hay una historia del matemático y filósofo René Descartes de orígenes igualmente dudosos.
Descartes estaba en la cama (como hacen los matemáticos y los filósofos) cuando notó que una mosca atravesaba su habitación. Se dio cuenta de que podía describir la posición de la mosca en el espacio tridimensional de la habitación con solo tres números, representados por las variables X, Y y Z.

Este es el sistema de coordenadas cartesianas que todavía se usa hoy, más de tres siglos después de la muerte de Descartes. Por tanto, X, Y y Z cubren tres de los cinco ejes del proceso de mecanizado de 5 ejes.

Pero, ¿qué pasa con los otros dos ejes?

Imagínese acercándose a la mosca de Descartes en pleno vuelo. En lugar de simplemente describir su posición como un punto en el espacio tridimensional, también podemos describir su orientación. Cuando la mosca cambia de dirección, lo hace de la misma forma que un avión que se inclina para maniobrar. El cuarto eje, A, describe su rotación lateral alrededor de su propio eje como un eje de rotación alrededor de X (llamado "balanceo" en términos técnicos).
Siguiendo con la comparación de aviones, la inclinación vertical de la mosca hacia arriba o hacia abajo es descrita por el quinto eje, B, como el eje de rotación alrededor de Y (llamado "cabeceo" en términos técnicos).

El lector atento sin duda inferirá la existencia de un sexto eje, C, que gira alrededor del eje Z. En nuestro ejemplo, esta es la rotación horizontal de la mosca hacia la izquierda o hacia la derecha (llamada "guiñada" en términos técnicos).

Si tiene dificultades para visualizar los seis ejes descritos anteriormente, el diagrama a continuación debería servirle como guía:


Los ejes A, B y C están ordenados alfabéticamente para que coincidan con los ejes X, Y y Z en consecuencia. Aunque existen máquinas CNC de 6 ejes como Por ejemplo, la fresadora de pórtico Zimmermann FZ 100, las configuraciones de 5 ejes son más habituales, ya que el sexto eje suele ofrecer apenas un uso adicional.

Una nota final sobre las convenciones de designación de ejes: en un centro de mecanizado vertical, los ejes X e Y corresponden al plano horizontal, mientras que el eje Z corresponde al plano vertical. En un centro de mecanizado horizontal, los ejes Z e Y se intercambian. Vea el diagrama a continuación:

Configuraciones de 5 ejes

La configuración específica de una fresadora de 5 ejes determina cuál de los tres ejes de rotación utiliza.

Entonces z. B. una máquina de mesa giratoria con el eje A (que gira alrededor del eje X) y el eje C (que gira alrededor del eje Z), mientras que una máquina de cabezal giratorio con un eje B (que gira alrededor del eje Y) ) y un eje C (que gira alrededor del eje Z) está funcionando.

Vista interior de la mesa giratoria del centro de mecanizado vertical de 5 ejes del Okuma MU-4000V

Los ejes de rotación en las máquinas de mesa giratoria son operados por el movimiento de la mesa, mientras que las máquinas de cabezal giratorio operan sus ejes de rotación girando un husillo. Ambos tipos tienen sus propias ventajas. Por ejemplo, las máquinas de mesa giratoria ofrecen cámaras de procesamiento más grandes, ya que se elimina el importante requisito de espacio del husillo giratorio. Por otro lado, las máquinas de cabezal giratorio también pueden procesar piezas más pesadas porque la mesa siempre es horizontal.

¿Cuántos ejes se necesitan?

Es posible que haya oído hablar de los centros de mecanizado con siete, nueve o incluso once ejes. Aunque parece difícil imaginar tantos ejes adicionales, la explicación de números tan asombrosos es bastante simple.
"Cuando se trata de máquinas que, por ejemplo, Por ejemplo, tener más de un husillo de torneado aumenta el número de ejes ”, explicó Mike Finn, ingeniero sénior de aplicaciones industriales en Mazak America.
“Por ejemplo, tenemos máquinas con un segundo husillo adicional y torretas inferiores. Con estas máquinas tienes varios ejes: la torreta superior tiene 4 ejes y la torreta inferior tiene 2 ejes, luego tienes dos husillos opuestos que también tienen 2 ejes. Estas máquinas pueden tener hasta 9 ejes ”, continuó Finn.
"Las piezas que fabrica siguen siendo piezas de 5 ejes", añadió Wade Anderson, especialista en productos y director de ventas de Okuma America.
"Un componente tal. B. una válvula para la industria aeroespacial podría fabricarse fácilmente en nuestro centro de mecanizado vertical MU-5000, una máquina de 5 ejes. También podríamos mecanizar esta pieza en una máquina multieje con un eje de rotación B y dos husillos para dos ejes C cada uno, más los ejes X, Y y Z estándar. También está la torreta inferior, que le proporciona un segundo eje X y Z. Así que hay más ejes de mecanizado disponibles, pero la pieza en sí tendrá la misma geometría ”, dijo Anderson.

Entonces, ¿cuántos ejes se necesitan realmente?

Como suele ocurrir en la industria manufacturera, la respuesta a esta pregunta depende de la aplicación particular. Finn dio el siguiente ejemplo:
“Una pala de turbina es una superficie de forma libre y puede ser muy compleja. El método más eficaz para mecanizar un objeto de este tipo es el mecanizado de 5 ejes, en el que la herramienta se guía en espiral alrededor del perfil de la pala de la turbina. El mecanizado de 3 ejes es posible fijando la hoja en una posición determinada y luego mecanizando la superficie a lo largo de tres ejes lineales, pero este no suele ser el método más eficiente ".
Anderson estuvo de acuerdo: "Depende de la geometría del componente respectivo si necesita una configuración de 3, 4 o 5 ejes".
Sin embargo, es importante señalar que el número de ejes requeridos depende de aspectos que se extienden más allá del objeto a procesar directamente. El objetivo es el factor principal, pero también se trata de las necesidades y objetivos a largo plazo del cliente ”, dijo Anderson.

“Un cliente podría mostrarme una pieza, como un soporte de titanio para tecnología aeroespacial, y yo podría decir: 'Esta es una pieza perfecta para un centro de mecanizado de 5 ejes', pero es posible que el cliente ya esté planeando fabricar piezas en el futuro que se puede procesar mejor con una de nuestras máquinas MULTUS U. Esta máquina multifunción puede no ser tan óptima como un centro de mecanizado de 5 ejes con respecto al componente actual, pero ofrece al cliente la posibilidad de trabajos de torneado, eje o mandril que también se pueden aplicar a componentes futuros ".

“Otro aspecto a considerar son las dimensiones de la cámara de procesamiento”, agregó Finn. “¿Cuáles son las dimensiones máximas de un objeto que puede insertar en la máquina sin afectar los cambios de herramienta y posición? Se trata de comprender qué es posible con el sistema y qué no ".

¿Cuáles son las ventajas del mecanizado de 5 ejes?

Elegir entre el mecanizado de 3 ejes y el mecanizado de 5 ejes es un poco como decidir entre un cuarto de libra de MacDonald y un chuletón; Si el costo es su única preocupación, entonces la primera opción es claramente una mejor opción.

Sin embargo, si compara el mecanizado de 5 ejes con el mecanizado de 3 + 2 ejes, la decisión es mucho más difícil.

5 ejes vs 3 + 2 ejes

Para comprender el tema, es importante comprender la diferencia entre el mecanizado de 5 ejes y el mecanizado de 3 + 2 ejes. El primero, también llamado mecanizado continuo o simultáneo de 5 ejes, se acompaña de ajustes continuos en la alineación de la herramienta de corte a lo largo de los cinco ejes para mantener la boquilla de corte en una posición óptima perpendicular a la pieza de trabajo.

Componente de demostración fabricado en aluminio 6010 producido en los 5 ejes con una DMG MORI DMU50. Tiempo de elaboración: 13 minutos.

Con este último, en cambio, también llamado mecanizado de 5 lados o 3 + 2 ejes, se ejecuta un programa de 3 ejes en el que la herramienta de fresado se fija en un ángulo determinado por los dos ejes de rotación. Si la herramienta se realinea a lo largo de los ejes de rotación entre cortes, el proceso se denomina "indexado en 5 ejes"; sin embargo, sigue siendo uno de los procesos de mecanizado de 3 + 2 ejes.

Componente de demostración de 3 + 2 ejes fabricado en aluminio 6010, producido en una DMG MORI DMU50. Tiempo de procesamiento: 7 minutos.

La principal ventaja del mecanizado continuo de 5 ejes sobre el mecanizado indexado de 5 ejes es la velocidad, ya que este último debe detenerse cada vez que se realinea la herramienta, mientras que el primero no.

En principio, sin embargo, es posible lograr los mismos resultados con ambas variantes. (Los lectores que no estén de acuerdo pueden compartir sus ejemplos de piezas que solo se pueden mecanizar con tecnología continua de 5 ejes en la sección de comentarios debajo del artículo).

También debe mencionarse que la ventaja de la velocidad se compra al precio de una mayor actividad de la herramienta, que se asocia con un mayor desgaste y una mayor necesidad de detección de choques. Esta es una de las razones por las que el mecanizado continuo de 5 ejes es más un desafío desde un punto de vista operativo.

Mecanizado de 5 ejes frente a impresión 3D

La impresión 3D o la fabricación aditiva o generativa es actualmente un tema candente en el mundo de la producción, especialmente en lo que respecta a la comparación con los procesos de fabricación sustractiva, como el mecanizado de 5 ejes.

Aunque a veces se sugiere que estos dos métodos compiten entre sí: especialmente por los fanáticos incondicionales del 3D que afirman que el 3D- La tecnología pronto pondrá patas arriba a toda la industria manufacturera. Desde un punto de vista más moderado, aparecen los procesos de fabricación aditiva y sustractiva en lugar de tecnologías mutuamente complementarias.
"No creo que la fabricación aditiva se apodere completamente del panorama de la fabricación, pero creo que ofrece oportunidades para fabricar piezas que no se podrían haber fabricado en el pasado", dijo Finn. “Todavía hay muchas piezas que requieren mecanizado sustractivo. Por ejemplo, piezas que tienen una tolerancia de redondez muy baja ".

“Es posible llevar un elemento a una forma casi neta sin ningún problema, pero este elemento aún debe ser reelaborado para lograr una tolerancia suficiente”, agregó Finn.

¿Significa eso que el futuro de la fabricación radica en un sistema de producción híbrido que consta de impresión 3D y CNC de 5 ejes, quizás con una máquina de medición de coordenadas incorporada para verificar las dimensiones?

Anderson no estaba seguro: “La aplicación real de la impresión 3D fuera de un entorno de laboratorio no es tener un sistema combinado, sino, por ejemplo, un sistema LMD (Laser Metal Deposition; alemán: láser metal deposition) y simultáneamente un sistema rotativo o de fresado que ambos hacen lo que mejor saben hacer y combinan ambas unidades mediante la automatización ".
El punto detrás de dos sistemas separados es una mejor gestión del polvo y las virutas.

"La cantidad de polvo que necesita en una instalación de LMD para hacer una pieza de 30 libras puede oscilar entre 150 y 300 libras de titanio", dijo Anderson. "Cuando se coloca en una máquina que combina todas las funciones, es casi imposible recuperar y reutilizar el polvo".

En otras palabras: la impresión 3D y el mecanizado de 5 ejes no compiten entre sí sino que son complementarios. “Creo que la fabricación aditiva puede reducir enormemente la cantidad de desbaste involucrado en la fabricación”, concluye Finn.

Cómo aprovechar al máximo el mecanizado de 5 ejes

No es raro que las ventajas de la tecnología de 5 ejes no se utilicen lo suficiente.
Anderson estuvo de acuerdo:  "Eso rompe el corazón de empresas como la nuestra: Cuando vemos una empresa que hace todo lo posible al comprar su sistema y luego usa solo una fracción de las funciones durante la puesta en marcha por varias razones, por ejemplo, usa un sistema multifuncional con cinco o más ejes, como un sistema de 3 ejes. Algo así sucede una y otra vez ".

“Muchas veces este fenómeno está relacionado con la política de recursos humanos de la empresa”, agregó Anderson. “Se trata de capacitar y comprender cómo usar un sistema. A veces es difícil para los responsables imaginar cómo se pueden variar las aplicaciones estándar. Por ejemplo, si la pieza respectiva no se pudo mecanizar también con una rotación superior, una rotación inferior, un husillo principal y un contrahusillo al mismo tiempo en un proceso integrado. Las posibilidades pueden parecer abrumadoras para algunos y abrumarlos ".

La importancia del control y el software de 5 ejes

Aunque contar con un mecánico industrial con las calificaciones adecuadas contribuye de manera significativa a utilizar todo el potencial de un sistema de 5 ejes, el sistema de control y el software del sistema son igualmente importantes.
"Con el mecanizado de 5 ejes de alta velocidad, los servoaccionamientos del sistema y el tiempo de respuesta son muy importantes para evitar cortes erráticos e inexactos durante el mecanizado", dijo Finn. “El sistema de control del sistema debe poder procesar los datos con la suficiente rapidez para que la herramienta pueda guiarse sobre el objeto con un movimiento agradable y suave. No desea movimientos bruscos que puedan provocar desviaciones e irregularidades ".
“El software que crea los programas de 5 ejes también debe poder generar un código agradable y fluido para que el sistema pueda convertirlo en un movimiento fluido”, dice Finn.

Por lo tanto, elegir el paquete CAD / CAM adecuado es fundamental para aprovechar al máximo su máquina.

"Por ejemplo, cuando estás haciendo blisks aeroespaciales, tienes que trabajar con programas de alto nivel", dijo Anderson. "Si, por el contrario, fabrica pequeños elementos de aluminio en un molde de fundición a presión para una empresa automotriz y solo necesita perforar unos pocos agujeros en la carcasa del motor para ensamblarlos, entonces, por supuesto, eso es algo completamente diferente".

“Si está cortando piezas para las que un sistema CAM necesita crear programas de corte específicos, debe invertir en un sistema CAM que se adapte a las capacidades de su instalación”, agregó Finn.

Evitación de colisiones en sistemas de 5 ejes

Al crear trayectorias de fresado de 5 ejes, por lo general hay un dilema entre mayor velocidades de alimentación de corte y y minimizando el riesgo de accidentes y caídas. Afortunadamente, existen varias herramientas de software que pueden ayudar a neutralizar estos riesgos.

"Con nuestro software de prevención de colisiones, puede cargar un modelo 3D de la pieza y las herramientas y el programa va a comprobar si existe algún riesgo de colisión antes de que la herramienta se desplaza," dijo Anderson. "Si su dispositivo está modelado correctamente, la colisión se evitará antes de que comience el movimiento".
“Hay software en el mercado que puede realizar simulaciones de máquinas”, comentó Finn. “Esto es extremadamente importante, especialmente cuando se trata de piezas más caras. No desea colisiones que le obliguen a desechar una pieza, lesionar a alguien o dañar la máquina ".

"Vericut ofrece un software de vigilancia virtual en 3D que hace lo mismo pero en una computadora fuera de línea", agregó Anderson. "Por lo tanto, en lugar de ejecutar el sistema de control en tiempo real, cargue los datos de la pieza en Vericut y éste examinará todas sus trayectorias de herramientas y se asegurará de que el sistema haga exactamente lo que espera".

Sensores de herramientas en sistemas de 5 ejes

La alta productividad es una ventaja del mecanizado de 5 ejes. pero también aumenta el riesgo de errores, como B. Usar una herramienta dañada o incorrecta. Una forma de minimizar estos errores es utilizar un sensor de herramienta como B. este láser BLUM en el DMG MORI DMU 50:

Tecnología de 5 ejes: ¿todo en una sola pasada?

El término "Hecho en uno" es un noble ideal en la producción: se carga un bloque de material en una máquina, se ejecuta el programa y se recibe una pieza completamente terminada. Al igual que el tiempo de configuración cero, Done-in-One también es un objetivo que vale la pena, incluso si finalmente no se puede lograr sin comprometer.
Independientemente de este hecho, el mecanizado de 5 ejes nos acerca mucho más al objetivo que cualquier otro proceso, porque incluso las piezas impresas en 3D requieren un posprocesamiento. En este contexto, la tecnología de sujeción representa una limitación importante con respecto al mecanizado de 5 ejes.

"La tecnología de sujeción es inmensamente importante en el mecanizado de 5 ejes", dice Anderson. "Puedo tener el mejor sistema del mundo, pero si mi tecnología de sujeción es pésima, nunca sacaré la pieza que quiero al final del día".

Según Finn, la clave para superar este obstáculo reside en el uso de máquinas con más de cinco ejes:
“Nuestra máquina INTEGREX z. B. puede equiparse con contrahusillos y una torreta de fresado inferior. Esto permite que las piezas se corten en un husillo y luego se transfieran al subhusillo para mecanizar el resto de la pieza. Básicamente, esto le permite cargar un bloque de materia prima y descargar una pieza terminada al final ".

El verdadero arte del fresado de 5 ejes

El mecanizado de 5 ejes ofrece ventajas significativas, como tiempos de producción más cortos, mayor eficiencia y mayor vida útil de la herramienta. Sin embargo, es importante comprender que estos beneficios no se pueden obtener simplemente comprando el último centro de mecanizado de 5 ejes.

Dominar el arte del mecanizado de 5 ejes requiere que se consideren una variedad de factores. Sobre el tema, Anderson dijo lo siguiente:
“Si nos fijamos en los problemas del cliente, los problemas técnicos durante el procesamiento son bastante raros. La mayoría de las veces, los problemas a los que se enfrentan giran en torno a cosas no relacionadas con la tecnología de fabricación, sino más bien a cuestiones de formación y de personal. por lo tanto, traduzca el plan de trabajo en comandos de control del sistema adecuados o asegúrese antes de procesar que haya suficientes herramientas disponibles para completar la parte que ha comenzado. Las partes periféricas del proceso a menudo presentan un desafío mayor que los problemas técnicos involucrados en la fabricación en sí ".