Los aceleradores de husillo permiten la micromaquinación en máquinas de menor RPM

Al considerar una máquina-herramienta CNC moderna y todas sus características, se hace evidente que los conjuntos de opciones y especificaciones están enfocados en industrias o aplicaciones específicas. La propia máquina-herramienta fue diseñada para operar con un rango preseleccionado de tipos y tamaños de herramientas, basado en factores como potencia, precisión, flexibilidad y velocidad.

Las máquinas CNC actuales ofrecen controles mejorados de aceleración y desaceleración, lo que permite a los operadores manejar plataformas estables que permiten a los fabricantes aumentar sus velocidades, avances y profundidades de corte hasta los límites tecnológicos actuales. Las fórmulas para calcular avances y velocidades no han cambiado a medida que estos límites han evolucionado. Lo que ha cambiado, y sigue cambiando, son los valores que ingresamos en estas fórmulas y la constante búsqueda de mayor velocidad.

A medida que los fabricantes de herramientas de corte incrementan las condiciones de operación recomendadas para sus productos, los usuarios logran el resultado deseado: ciclos más cortos en las máquinas-herramienta existentes. Esto, por supuesto, hasta que esas máquinas alcanzan sus límites prácticos. Las máquinas CNC están siendo sometidas a velocidades superiores a 60,000 rpm para facilitar la micromecanización con herramientas de corte de pequeño diámetro. Estas velocidades implican controlar el balance y el error dinámico, ambos difíciles de gestionar con portaherramientas grandes.

Los portaherramientas típicos CAT 40 y HSK 63 pesan aproximadamente 1,1 kg cada uno. Sumando el peso de las partes rotativas del husillo de la máquina, se obtiene una masa muy grande que requiere un balance dinámico crítico. Reducir la porción rotativa del husillo permite un mejor control del error dinámico y del balance.

Aquí es donde entran en juego los aceleradores de husillo con turbina de aire. Son mucho más pequeños y pesan considerablemente menos que un husillo de máquina típico. Por ejemplo, el ensamblaje de turbina más grande en la línea RBX de BIG DAISHOWA Inc. tiene un diámetro efectivo de solo 75 mm. Todo el acelerador pesa apenas 5 kg.

Práctico para micro

Los aceleradores de husillo con turbina de aire solo necesitan girar una turbina y el sistema de sujeción de herramientas adjunto. La relativa ligereza del conjunto rotativo permite a los operadores concentrarse en los problemas de error dinámico y balance que hacen difícil la micromecanización a alta velocidad.

Un acelerador de husillo accionado por aire utiliza aire comprimido para mover una turbina y desarrollar velocidades de husillo mucho más altas que un husillo convencional. Además, dado que el husillo de la máquina no rota al usar el acelerador, no se produce desgaste.

El uso de presión de aire como fuente de energía elimina los problemas asociados con el calor generado cuando un husillo de máquina opera cerca de su velocidad máxima por períodos prolongados. Sin acumulación de calor, los aceleradores de turbina de aire pueden funcionar continuamente durante los largos ciclos de corte que requieren las microherramientas.

Los aceleradores de turbina de aire también se pueden colocar y retirar del husillo de la máquina mediante un cambiador automático de herramientas, eliminando la necesidad de que un operador conecte manualmente la fuente de aire. El aire se suministra a través del husillo de la máquina o desde su lateral mediante un bloque de husillo auto-conectante. La presión del aire controla la velocidad de salida del acelerador. En comparación con el consumo energético de un husillo de máquina, existen ahorros significativos al liberar la presión del aire a la atmósfera al pasar por un acelerador en lugar de accionar un husillo mediante un motor eléctrico. Un beneficio adicional de un acelerador de turbina de aire es que genera menos de 65 dB de sonido, equivalente a una conversación normal a 1 metro.

Al igual que los husillos de máquina, los aceleradores de aire eventualmente requieren mantenimiento. Afortunadamente, las unidades de turbina de aire están diseñadas para funcionar más de 2,000 horas antes de necesitar servicio. (La compra de un segundo acelerador permite que la producción continúe mientras el primero se repara). Además, dado que los aceleradores accionados por aire se instalan como retrofits, la máquina CNC siempre puede convertirse de nuevo a una máquina de menor rpm y mayor torque con un simple cambio de herramienta. Esto ayuda a los usuarios a aprovechar al máximo sus costosas máquinas-herramienta.

Mayor velocidad, menor torque

Un factor esencial que los usuarios deben tener en cuenta al considerar un acelerador de husillo es que al aumentar la velocidad de salida, el torque disponible disminuye. Considere la línea RBX de aceleradores de husillo de BIG DAISHOWA. El RBX5 cubre velocidades de husillo de 40,000 a 50,000 rpm. El RBX7 maneja el rango de 60,000 a 80,000 rpm y el RBX12 entrega velocidades de husillo de 100,000 a 120,000 rpm. Los rangos de torque de estas tres unidades establecen pautas para los diámetros de las herramientas y los procesos de mecanizado que pueden realizar. La unidad de menor velocidad aborda diámetros de taladro y fresa de hasta 1.5 mm, según la estabilidad de la configuración. A velocidades superiores a 100,000 rpm, los diámetros máximos de taladro alcanzan 0.4 mm y las fresas alrededor de 0.6 mm.

A medida que las herramientas de corte se hacen más pequeñas, la velocidad de husillo necesaria para su correcto uso aumenta (ver gráfico en la página 39). La velocidad superficial recomendada no está vinculada a un valor exacto de rpm, ya que todas las referencias proporcionan un rango óptimo como punto de partida. Debido a la tendencia del material cortado a adherirse a la herramienta cuando la rpm es demasiado baja, lo que puede generar borde acumulado, el operador debe aumentar la velocidad siempre que el rendimiento de corte permanezca estable. Al superar los 45 psi de presión de aire que alimenta el acelerador, las velocidades de husillo aumentarán. La presión máxima de aire requerida para alcanzar la velocidad máxima en cualquier rango es de 90 psi. El flujo de aire es de 7 pies cúbicos por minuto.

Independientemente del mecanismo de accionamiento utilizado, la mayoría de los problemas asociados con la micromecanización a alta rpm son causados por el error dinámico del husillo de la máquina y su conjunto de herramientas adjunto. BIG DAISHOWA ha integrado sus mecanismos de accionamiento por turbina de aire directamente en una solución probada de sujeción de herramientas de alta velocidad, un microportaherramientas que sujeta ejes de herramientas de diámetros tan pequeños como 0.5 mm. La microfunda ofrece una fuerza de sujeción extremadamente alta y un error de solo 3 µm a 4 veces el diámetro de la herramienta, aumentando la vida útil y mejorando el acabado en comparación con un sistema de pinzas convencional.

La vida útil y el rendimiento de las herramientas de corte son óptimos cuando se usan a las velocidades y avances adecuados. Una inversión razonable en un acelerador de husillo puede duplicar o triplicar la vida útil de una microherramienta y reducir significativamente los costos de herramientas perecederas.

Cuando un operador necesita interrumpir la producción para reemplazar una herramienta desgastada o rota, existen costos adicionales por el tiempo de inactividad del husillo y la mano de obra. El costo de un segundo acelerador de husillo, equipado con herramientas idénticas, puede justificarse si la máquina puede seguir funcionando. Los operadores pueden reemplazar herramientas desgastadas en un acelerador mientras la otra unidad está cortando metal.

Aunque prolongar la vida útil de la herramienta es el factor principal que afecta el costo por componente, acelerar el proceso de corte puede generar ahorros significativos en el tiempo de ciclo. Por ejemplo, el tiempo necesario para fresar acero para moldes NAK80 (HRC 40) con una fresa de bola de 0.004" en un centro de mecanizado se redujo de 450 minutos a 120 minutos cuando la máquina se equipó con un acelerador de husillo con turbina de aire.

Además de ahorrar tiempo en el ciclo y en los cambios de herramienta, los aceleradores de turbina de aire permiten que máquinas de menor rpm produzcan micropiezas. Esto puede evitar que los propietarios de talleres tengan que invertir en equipos nuevos y especializados o rechazar trabajos de micromecanizado por no contar con el equipo necesario.

A medida que disminuye el diámetro de la herramienta, la velocidad del husillo debe aumentar para garantizar un corte efectivo. Se muestran velocidades de inicio generales para varias fresas y brocas. Determinar la velocidad óptima para una aplicación específica dependerá del material de la pieza y otros factores.