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En la fabricación aeronáutica, los materiales difíciles de cortar se utilizan cada vez con más frecuencia. Lamentablemente, estos materiales difíciles de cortar reducen de forma importante la vida útil de las herramientas. En respuesta a la demanda del mercado de métodos de mecanizado más innovadores que prolonguen de forma importante la vida útil de las herramientas utilizadas con estos materiales especiales. Mitsubishi Materials se centró en el desarrollo de herramientas de corte rotativas de última generación. En este artículo, nos centramos en dos de estas herramientas de corte rotativas que se utilizan en máquinas multitareas y herramientas de corte rotativas pasivas, en centros de mecanizado generales.

PROYECTO 1: Herramientas que giran por sí mismas

Desarrollo de las herramientas de corte rotativas pasivas que aprovechan las ventajas de las máquinas multitarea

Fue hace unos 20 años cuando Mitsubishi Materials desarrolló las primeras herramientas de corte rotativas para tornos que hacían girar las placas durante el mecanizado. En ese momento, se aplicó un mecanismo innovador que permitía la rotación mediante el uso de la resistencia al corte. Esto redujo de forma importante el desgaste periférico, una de las principales causas de reducción de la vida útil de las herramientas durante el mecanizado de materiales difíciles de cortar. Aunque esta herramienta de corte rotativa de primera generación tuvo una gran aceptación, su complicado mecanismo limitaba la rigidez y era relativamente cara en comparación con los portaherramientas estándar. Algunos clientes siguieron utilizando estas herramientas, pero la demanda se fue reduciendo gradualmente.

No obstante, durante esa época, se desarrollaron nuevas herramientas de corte rotativas. Este nuevo desarrollo aprovechaba los conocimientos acumulados por la empresa con sus primeras herramientas. En el diseño del nuevo mecanismo de rotación, la aparición de las máquinas multitarea supuso una gran ayuda. Las primeras máquinas rotativas de torneado hacían girar las placas mediante el uso de la resistencia generada durante el proceso de corte, lo que, en función de las condiciones de corte, provocaba una irregularidad en la fuerza de rotación y hacía difícil conseguir un rendimiento estable. Se pensó que si se podía generar una fuerza de rotación predeterminada y estable, independientemente de las condiciones de corte, sería posible desarrollar con éxito un nuevo tipo de herramienta rotativa. Fue hace unos diez años cuando surgieron las primeras ideas acerca de las nuevas herramientas de corte rotativas. 
Fue por aquel entonces cuando el Profesor Sasahara, de la Universidad de Agricultura y Tecnología de Tokio, llevó a cabo un estudio sobre herramientas de corte rotativas y accionadas. Durante un tiempo, se mantuvo un periodo de consultas con la Universidad; y hace tres años, se inició una investigación conjunta a gran escala. El uso de las máquinas multitarea hizo posible conseguir un control voluntario de la rotación de la herramienta, lo que abrió el camino para el desarrollo de las herramientas de corte rotativas y accionadas.

Las máquinas multitarea no solo permitían el control de la rotación de la herramienta, sino que también permitían el ajuste libre de los ángulos de contacto. Esto dio lugar a una investigación en busca de la mejor combinación de condiciones de corte y ángulos de contacto de las herramientas. 

Además de la frecuencia de rotación (velocidad de rotación de las herramientas), es importante identificar el mejor ángulo de contacto. El grosor de las virutas, que tiene una influencia importante en la vida útil de las herramientas y en la dirección de los flujos, varía en función de condiciones básicas, como la velocidad, la alimentación y el corte. 
Además de estas consideraciones, el nuevo diseño utilizó diferentes ángulos de inclinación, lo que suponía una dificultad a la hora de encontrar la mejor combinación de condiciones de corte. Para solucionar este problema, se solicitó la ayuda del Profesor Sasahara para que estudiase los valores desde un punto de vista teórico con el fin de identificar las mejores condiciones. 

Al mismo tiempo, el mayor desafío a la hora de desarrollar las formas de las herramientas es minimizar la desalineación de los centros a la hora de fijar la placa en la herramienta. Unas desalineaciones de mayor tamaño provocan una rotación excéntrica en relación con el eje de rotación de la máquina, lo que modifica la cantidad de fresado y provoca un desajuste entre el tamaño predeterminado y el tamaño real del componente mecanizado. Además, los cambios en la cantidad de fresado provocan inestabilidad en la resistencia al corte, lo que genera vibraciones y daños en las placas. 

Después de numerosos ensayos, fue posible reducir el grado de concentricidad entre la placa y la herramienta de corte a 0,01 mm o menos.

Otra característica importante de la nueva herramienta de corte se observa en el refrigerante interno. La herramienta se diseñó para que el suministro de refrigerante llegase desde el espacio situado entre el orificio de inserción y el tornillo de fijación. Este mecanismo tiende a reducir la fuerza de fijación cuando la placa está instalada en la herramienta de corte. Sin embargo, este diseño único mantiene la fuerza de fijación necesaria. La propia herramienta gira de forma consistente, 
lo que dispersa de manera uniforme el calor generado durante el proceso de corte a lo largo de toda la circunferencia de la fresadora. El suministro del refrigerante desde el interior de la herramienta de corte hace posible un enfriamiento eficaz de toda la placa y la descarga sencilla de las virutas. 
 

Una vida útil de la herramienta aproximadamente diez veces superior a las herramientas de corte con placas de uso general

Las herramientas de corte rotativas y accionadas de reciente desarrollo cuentan con las siguientes características:

1. El uso de toda la circunferencia de la placa dispersa de manera uniforme la abrasión de la herramienta, lo que permite aumentar su vida útil. 

2. La rotación estable de la propia herramienta dispersa de forma eficaz el calor generado durante el corte; y el diseño del refrigerante interno reduce significativamente la abrasión de las placas. 

3. El mecanismo de fijación de diseño único, alta precisión y rigidez, permite obtener un mecanizado estable y de alto rendimiento. 

Estas características han permitido prolongar de forma importante la vida útil de la herramienta durante el mecanizado de Inoconel718 en comparación con las herramientas de corte estándar. Además, las herramientas de corte rotativas y accionadas son adecuadas no solo para el mecanizado de materiales difíciles de cortar, como las aleaciones resistentes al calor, sino también para el mecanizado de materiales compuestos, como en el caso del aluminio y el hierro. Son especialmente eficaces a la hora de reducir significativamente los costes totales de funcionamiento al prolongar la vida útil de las herramientas y reducir la frecuencia de la sustitución de las placas en operaciones de mecanizado sin supervisión o durante el control de varias máquinas por parte de un pequeño número de empleados. 

¿Fue posible resolver los problemas que surgieron durante el desarrollo de las primeras herramientas de corte rotativas?

Al observar la relación de compresión (CR) general de las virutas, se pensaba que aproximadamente un tercio de la velocidad de mecanizado, que es equivalente a la velocidad de descarga de virutas, podría ser la velocidad de rotación ideal de las placas para reducir el desgaste de la cara de incidencia que suele ser un problema al mecanizar materiales difíciles de cortar. 
Las primeras herramientas de corte rotativas se giraban mediante resistencia al corte, lo que no permitía controlar la velocidad de rotación. Por lo tanto, queda claro que no se realizó un examen detallado de esta hipótesis en aquel momento. 

Las nuevas herramientas de corte rotativas cuentan con varios parámetros, lo que dificulta la identificación de las condiciones de corte óptimas. Aunque se han identificado algunas condiciones recomendadas para un uso general, es muy interesante saber que la velocidad de rotación óptima de la herramienta respecto a la velocidad de mecanizado de la pieza de trabajo es, ahora, un tercio de la velocidad asumida para las primeras herramientas de corte rotativas. Las herramientas de corte rotativas y accionadas se encuentran ahora en fase de desarrollo, 
y se pretende que salgan al mercado en 2017.

PROYECTO 2: Fresa rotativa pasiva con placa que gira por sí misma durante el mecanizado

Calculando la fuerza de rotación teórica de la placa

La nueva fresa rotativa pasiva se desarrolló como una herramienta de fresado mediante el uso de todos los conocimientos y la experiencia adquiridos con la primera herramienta de corte rotativa.

Desde el lanzamiento de la primera herramienta de corte rotativa, Mitsubishi Materials ha aplicado un mecanismo que hace girar la placa con resistencia al corte para fresadoras de perfiles y de superficies. No obstante, era muy difícil instalar el mecanismo de rotación de la primera herramienta de corte rotativa en la herramienta de fresado debido a su tamaño, convirtiéndose esta tarea en un objetivo prácticamente imposible.

Sin embargo, los avances en materiales difíciles de cortar en diferentes industrias requerían una mejora en la eficiencia del mecanizado, así como una mayor vida útil de la herramienta. Hace unos diez años, al percatarse del potencial de las placas que giraban durante el fresado, Mitsubishi Materials inició el desarrollo conjunto de las fresas rotativas con la Universidad de Nagoya y Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. 

El primer reto fue identificar el ángulo ideal para accionar la rotación de la placa mediante el uso de una resistencia al corte y garantizar una fuerza de rotación óptima. Si la resistencia al corte es demasiado baja, no genera el accionamiento suficiente para hacer girar la placa. Si es demasiado alta, provoca vibraciones durante el mecanizado, lo que puede suponer daños en la herramienta o en la placa. Necesitábamos identificar el ángulo capaz de generar una resistencia al corte suficiente para hacer girar la placa de forma fiable y que permitiese una amplia variedad de condiciones de corte. 

La Universidad de Nagoya se encargó de resolver este problema. Mediante la aplicación de fórmulas complejas, los ingenieros pudieron identificar el ángulo óptimo de colocación de las placas para lograr una rotación eficaz. En comparación con el método de prueba y error utilizado para el desarrollo de las primeras herramientas de corte rotativas, poder calcular de forma teórica los valores óptimos supuso una reducción importante del tiempo necesario para llevar a cabo el desarrollo. 

La vida útil obtenida para la herramienta pasó a ser de 8 a 10 veces superior a la de la herramienta existente de Mitsubishi Materials.

El siguiente reto fue el acoplamiento de la placa en un espacio extremadamente estrecho, lo que suponía una enorme dificultad. Fue necesario diseñar un mecanismo rotativo que se pudiese instalar en un espacio tan estrecho. Esto requirió la optimización de la separación del orificio de la placa y del tornillo de fijación para permitir una rotación sencilla de la placa durante el mecanizado. Si la separación es demasiado pequeña, se agarrotará; si es demasiado grande, se producirán vibraciones. Además, para obtener la rigidez suficiente, es importante contar con el grosor más adecuado en el tornillo de fijación para el tamaño de la placa. Después de repetidos exámenes y análisis, varios prototipos y una gran cantidad de pruebas, se instaló con éxito un muelle encima del tornillo de fijación, lo que posibilitó el desarrollo de un mecanismo rotativo con la separación y resistencia adecuadas. Justo cuando ya estaba a la vista el final del desarrollo, surgió otro problema. La parte inferior de la placa entraba en contacto con el asiento de metal duro reforzado del cuerpo de la herramienta durante la rotación, lo que provocaba un desgaste desigual. La rotación de la placa podría incluso desgastar la fresa; pero el asiento de metal duro reforzado que recibía la resistencia al corte tenía que soportar una carga irregular, además de que la carga de la sección situada por debajo de la fresa era intensa. Dado que tanto la placa como el asiento eran de metal duro reforzado, el contacto y la rotación continua bajo una carga local acababan creando un desgaste irregular. Para solucionar este problema, 
se colocó una placa metálica móvil entre la placa y el asiento de metal duro reforzado a modo de tampón. 

El mayor mérito de las herramientas rotativas es que permite un mecanizado de larga duración y sin supervisión, que no requiere un cambio de ángulos. Y como se muestra en el siguiente gráfico, fuimos capaces de conseguir una vida útil entre ocho y diez veces superior a la de nuestras fresas existentes. 

Esta fresa rotativa pasiva saldrá al mercado en 2017. Se espera repetir este éxito con el desarrollo de fresas para fresadoras de perfiles, fresadoras de superficies y torneados. Además de la ampliación de los tamaños de la placa, también está previsto el desarrollo de fresas para rampas.