La diferencia BIG-PLUS

Los husillos y los portaherramientas están en una batalla constante contra las fuerzas de la naturaleza, una batalla que se vuelve cada vez más difícil con cortes más pesados y proyecciones más largas. Las vibraciones y la deflexión siempre han sido la pesadilla de los maquinistas; tanto es así que la simple vista de un portaherramientas largo y delgado puede causar escalofríos.

Si entiendes por qué un portaherramientas largo se comporta de cierta manera, sabrás que existen formas de contrarrestar esta flexión. Todo maquinista sabe que los portaherramientas cortos y robustos son más resistentes a la deflexión que los largos y delgados. Probablemente también hayas escuchado que, si es posible, conviene que la mayoría de las fuerzas de corte sean axiales en lugar de radiales. Esto no solo ayuda a reducir las vibraciones en operaciones como el mandrinado, sino que además el husillo está mejor preparado para soportar cargas en ese eje. Sin embargo, estas opciones no siempre están disponibles, especialmente en situaciones inevitables de largo alcance y en muchas operaciones de fresado.

En esta batalla constante contra la deflexión de herramientas, se ha dedicado mucho tiempo y esfuerzo al diseño de portaherramientas más cortos, herramientas más rígidas y geometrías o materiales antivibración más ingeniosos. Pero, a menudo, se pasa por alto el diámetro del cuerpo del portaherramientas como un medio para aumentar la rigidez, especialmente en situaciones donde es lo único con lo que se puede trabajar. Esto es realmente una lástima, como pronto descubrirás.

El concepto de tecnología de doble contacto existe desde hace años, en muchas formas diferentes pero siempre con el mismo objetivo: aprovechar al máximo este potencial de rigidez no explotado. Para quienes no lo sepan, el doble contacto se refiere al contacto simultáneo del mango con el cono del husillo y la cara del husillo. Con frecuencia, la solución implicaba modificaciones posteriores al husillo o al portaherramientas, como el uso de separadores o calzas rectificados para cerrar la brecha, por ejemplo. En otras palabras, no existía una solución estandarizada, y si querías doble contacto, debías invertir tiempo y dinero en comprar portaherramientas modificados o modificarlos tú mismo para adaptarlos a tu husillo.

BIG-PLUS surgió como una solución a este problema. Básicamente, tanto el husillo como el portaherramientas se rectifican con especificaciones precisas para cerrar la brecha entre la cara del husillo y la brida al unísono (dependiendo de una pequeña deformación elástica del husillo). Esto significa que los operadores pueden cambiar herramientas BIG-PLUS dentro y fuera de un husillo BIG-PLUS con la confianza de lograr un doble contacto garantizado. Además, si fuera necesario, aún se pueden usar portaherramientas estándar en un husillo BIG-PLUS, y viceversa.

Aunque técnicamente no es un estándar internacional, ha sido adoptado por muchos fabricantes de máquinas herramienta debido a sus claras mejoras en rendimiento y simplicidad. De hecho, los husillos BIG-PLUS vienen de serie en más máquinas de las que imaginas. A menudo encontramos operadores que tienen máquinas con husillos BIG-PLUS y ni siquiera lo saben.

¿Cómo ayuda exactamente el doble contacto con la rigidez de la herramienta? El par (o momento) ejercido por las fuerzas de corte se maximiza en el punto donde el portaherramientas y el husillo se encuentran: la base del portaherramientas. Con portaherramientas CAT40 estándar, este punto sería el diámetro de la línea de referencia. Cuando el portaherramientas hace contacto con la cara del husillo mediante BIG-PLUS, el diámetro efectivo pasa a ser el mayor diámetro de la brida en “V”, ya que este es el nuevo punto de anclaje del portaherramientas y el husillo. En otras palabras, estás reforzando el diámetro justo en el punto donde la fuerza de reacción es mayor.

No es difícil concluir que un diámetro efectivo mayor proporcionará más rigidez. Dicho esto, quizás te preguntes: ¿una diferencia tan pequeña en diámetro realmente marca una diferencia? Para comprender el efecto de BIG-PLUS, debes entender la física detrás de él.

Imagina un escenario simple donde un portaherramientas se representa como una barra cilíndrica fijada en un extremo y libre en el otro, es decir, una viga en voladizo. Si lo piensas, esto es esencialmente en lo que se convierte un portaherramientas una vez asegurado en el husillo. Ahora, introduzcamos una fuerza radial F que actúa hacia abajo en el extremo suspendido de la barra, representando una fuerza de corte como las que se encuentran en el fresado o mandrinado, por ejemplo. La barra, como cabría esperar, tenderá a doblarse hacia abajo. Es similar a cómo se dobla un trampolín cuando alguien se para en el extremo, aunque en menor grado.

Es posible predecir la cantidad de deflexión (o, inversamente, la rigidez a la flexión) en el extremo de esta barra hipotética si conoces su longitud, diámetro y material. La siguiente expresión representa la rigidez k en el extremo de la barra:

donde d = diámetro, L = longitud y E = módulo de elasticidad (esto depende del material de la barra). Cuanto mayor sea el valor de k, más rígida será nuestra barra. No te pediré que hagas cálculos, solo quiero que observes la ecuación. Podemos ver que al aumentar d aumenta el valor de k, mientras que al aumentar L, k disminuye, ya que está en el denominador de la ecuación. Esto tiene sentido: una barra corta y gruesa (gran d, pequeña L) será más rígida que una barra larga y delgada (pequeña d, gran L). 

Algo interesante es que d está elevada a la cuarta potencia, mientras que L solo a la tercera. El diámetro influye en la rigidez un orden de magnitud más que la longitud. Aquí radica el poder de BIG-PLUS, y por eso un pequeño aumento en diámetro puede tener un gran impacto en el rendimiento. 

Para un portaherramientas CAT40, el diámetro de la línea de referencia es Ø44.45 mm y el diámetro de la brida es Ø63.5 mm. Imaginemos dos barras de igual longitud y material, por lo que L y E no cambian. Una barra tiene un diámetro de Ø44.45 mm (CAT40 estándar) y la otra Ø63.5 mm (BIG-PLUS CAT40). Si introduces estos valores en la ecuación anterior, verás que el portaherramientas BIG-PLUS produce un valor de k aproximadamente 4 veces mayor que la barra estándar. Con base en esta comparación, podrías decir que un portaherramientas BIG-PLUS es 4 veces más rígido que un CAT40 estándar, ya que resiste 4 veces más la deflexión. Imagina las mejoras en vida útil de la herramienta y acabado superficial con una herramienta 4 veces más rígida, sin mencionar la reducción del desgaste y el potencial para disminuir el tiempo de ciclo. Obtendrías resultados similares al hacer la misma comparación con CAT50, BT40, BT30, etc. 

Si aún no estás convencido, también podemos comparar la rigidez de esta forma: supongamos que existe una barra BIG-PLUS CAT40 Ø63.5 mm de una longitud arbitraria. Una de nuestras longitudes de referencia más comunes es 105 mm (algo más de 4 pulgadas), así que usémosla como ejemplo. 

Probablemente te preguntes, ¿a qué longitud un portaherramientas CAT40 estándar tendría la misma rigidez? Si igualamos la expresión de rigidez (una parte representando BIG-PLUS, la otra no BIG-PLUS), podemos usar esta longitud del portaherramientas BIG-PLUS y nuestros diámetros conocidos para hallar la longitud equivalente del estándar:

¿Qué significa esto? Un portaherramientas BIG-PLUS de unos 105 mm (4 pulgadas) de longitud tendrá la misma rigidez que un portaherramientas CAT40 estándar de unos 65 mm (2.5 pulgadas). Cualquier maquinista experimentado sabe bien la diferencia de rigidez entre un portaherramientas de 4 pulgadas y uno de 2.5. Si esto es cierto, podemos decir que implementar BIG-PLUS equivale a una reducción del 40% en longitud en términos de rigidez. Teóricamente, un portaherramientas BIG-PLUS se comportará como uno estándar de casi la mitad de su longitud. 

Obviamente, aquí hemos utilizado casos simples e idealizados para representar el complejo y dinámico mundo del mecanizado de metales. Los portaherramientas, por supuesto, no tienen diámetros de cuerpo uniformes ni materiales idénticos, y las fuerzas de corte normalmente no actúan en una sola dirección de manera constante y predecible. Si nuestro portaherramientas tiene secciones de distintos diámetros a lo largo de su longitud —como sucede en la realidad—, cada una de estas secciones actuaría como una “viga” individual que influye en el comportamiento general (en ese punto, el análisis de elementos finitos en computadora se vuelve la única forma práctica de predecir el comportamiento). 

Entonces, ¿será tan dramática la ventaja de BIG-PLUS como sugiere nuestra teoría clásica de vigas? Probablemente no, pero depende del portaherramientas y la herramienta. La mayoría de los casos seguirán nuestro modelo simple con bastante precisión; otros no tanto. En cualquier caso, hemos demostrado cómo el contacto de la brida de BIG-PLUS puede influir de manera significativa en la rigidez, al menos desde un punto de vista matemático. 

Y como si no bastaran más razones para unirte a la tecnología BIG-PLUS además de la mayor rigidez, también eliminarás el movimiento del eje Z a altas velocidades, mejorarás la repetibilidad del cambiador automático de herramientas (ATC) y reducirás el desgaste por fricción. Esto significa que podrás realizar cortes más profundos, desecharás menos piezas y aumentarás la vida útil de la herramienta y el husillo.

BIG-PLUS no es, de ninguna manera, una idea nueva, pero con un historial comprobado enfrentando trabajos difíciles, es difícil imaginar trabajar en un taller moderno sin aprovechar lo que tiene para ofrecer.