Fresado trocoidal y dinámico: Cómo pensar en su aplicación, compensaciones y limitaciones

¿Qué es este proceso?

El fresado trocoidal y dinámico son estrategias de mecanizado de desbaste que buscan optimizar el rendimiento de la herramienta y la máquina al controlar de forma constante la carga de viruta (cantidad de material que la herramienta corta por cada giro). A diferencia del fresado convencional, donde la herramienta se mueve en líneas rectas y la carga de viruta varía según la profundidad de corte y el tipo de movimiento, estas estrategias generan trayectorias curvas que mantienen un valor uniforme de carga de viruta en todo el recorrido.

Para entender su funcionamiento, es clave definir dos propiedades fundamentales que regulan su rendimiento:

1. Carga de viruta constante: Es el valor fijo de material que cada filo de la herramienta corta por giro, medido en milímetros por filo por giro (mm/filo/giro). Esta propiedad es el pilar de estas estrategias, ya que elimina picos de esfuerzo que dañan la herramienta.
2. Compromiso radial (ap): Es la profundidad de corte en la dirección perpendicular al eje de la herramienta, es decir, el ancho del corte que la herramienta realiza en cada pasada. En el fresado convencional, el compromiso radial suele ser cercano al 100% del diámetro de la herramienta, mientras que en estas estrategias se mantiene en valores bajos (generalmente entre el 5% y el 30% del diámetro).

Cómo se comporta bajo la herramienta

El control de la carga de viruta y el compromiso radial bajo modifican todo el comportamiento del proceso, desde las fuerzas de corte hasta el desgaste de la herramienta:

• Fuerzas de corte: Al mantener una carga de viruta constante y un compromiso radial bajo, se eliminan los picos de fuerza que se producen en el fresado convencional cuando la herramienta entra o sale del material. Las fuerzas se mantienen uniformes y en valores más bajos, lo que reduce la vibración de la herramienta y la máquina.
• Calor generado: El calor en el mecanizado se genera principalmente por la deformación del material y la fricción entre la viruta y la herramienta. En estas estrategias, el compromiso radial bajo reduce la superficie de contacto entre la herramienta y el material, lo que disminuye la generación de calor. Además, la trayectoria curva permite que cada filo de la herramienta tenga tiempo para enfriarse entre cortes, ya que no está en contacto con el material de forma continua.
• Formación de viruta: La carga de viruta constante genera virutas de tamaño uniforme, lo que facilita su evacuación del área de corte. Esto es especialmente importante en materiales difíciles de mecanizar, donde virutas grandes o irregulares pueden quedar atascadas y dañar la herramienta o la pieza.
• Mecanismos de desgaste de la herramienta: El desgaste se divide en dos tipos principales: desgaste por abrasión (por el roce del material) y desgaste por fatiga (por los ciclos de carga y descarga de la herramienta). En estas estrategias, la carga constante reduce el desgaste por fatiga, ya que no hay picos de esfuerzo que generen microfracturas en los filos. Sin embargo, el compromiso radial bajo hace que cada filo corte una cantidad menor de material por giro, por lo que el desgaste por abrasión se distribuye de forma más uniforme por toda la longitud de corte de la herramienta, en lugar de concentrarse en una zona específica como en el fresado convencional.

Parámetros prácticos

Los parámetros de estas estrategias se basan en el control de la carga de viruta y el compromiso radial, con compensaciones que dependen del material, la herramienta y la máquina. A continuación, se presentan rangos y su justificación:

Compromiso radial (ap)

Rango: 5% a 30% del diámetro de la herramienta (D)

• Justificación: Un compromiso radial menor al 5% reduce la tasa de remoción de material (TRM, volumen de material eliminado por unidad de tiempo) de forma significativa, ya que la herramienta corta un ancho muy pequeño en cada pasada. Un compromiso radial mayor al 30% pierde la principal ventaja de la estrategia: el control de la carga de viruta, ya que se generan picos de esfuerzo al entrar o salir del material.
• Compensación: Para materiales blandos (como aluminio o plásticos) se puede usar valores cercanos al 30% para aumentar la TRM, mientras que para materiales difíciles de mecanizar (como aceros inoxidables o titanio) se recomiendan valores entre el 10% y el 20% para reducir el esfuerzo.

Velocidad de corte (Vc)

Rango: 80% a 120% de la velocidad de corte recomendada para el material en fresado convencional

• Justificación: Al generar menos calor y esfuerzo, se puede aumentar la velocidad de corte en comparación con el fresado convencional. Por ejemplo, para acero al carbono con dureza de 200 HB, la velocidad de corte convencional es de aproximadamente 150 m/min, por lo que en estas estrategias se puede usar entre 120 y 180 m/min.
• Compensación: Si la máquina no tiene suficiente potencia o torque para soportar la velocidad más alta, se debe reducir a valores más cercanos al 80%.

Carga de viruta por filo (fz)

Rango: 70% a 100% de la carga de viruta recomendada para el material en fresado convencional

• Justificación: La carga de viruta es el parámetro que se mantiene constante en toda la trayectoria. Al reducir el compromiso radial, se puede mantener una carga de viruta cercana a la convencional sin generar picos de esfuerzo.
• Compensación: Para materiales frágiles o herramientas con pocos filos, se recomiendan valores más cercanos al 70% para evitar roturas de filo.

Profundidad de corte axial (ae)

Rango: 10% a 100% de la longitud de corte de la herramienta

• Justificación: A diferencia del compromiso radial, la profundidad axial no afecta la carga de viruta de forma significativa, por lo que se puede usar valores cercanos a la longitud de corte de la herramienta para aumentar la TRM.
• Compensación: Si la máquina tiene poca rigidez o la herramienta es larga, se debe reducir la profundidad axial para evitar vibraciones.

Herramientas

• Geometría: Se recomiendan herramientas con filos afilados y ángulos de desprendimiento positivos para reducir el esfuerzo de corte. Para materiales difíciles, se pueden usar herramientas con recubrimientos de TiAlN o AlTiN para aumentar la resistencia al desgaste.
• Número de filos: Herramientas con 2 a 4 filos son ideales, ya que permiten una evacuación de viruta más fácil que herramientas con más filos.

Compatibilidad con máquinas Gree CNC

Estas estrategias requieren máquinas con suficiente precisión de posicionamiento y potencia de husillo. A continuación, se presentan modelos Gree CNC que son adecuados:

• GA-DV750: Centro de mecanizado vertical con husillo eléctrico de alta velocidad (30.000 rpm) y precisión de posicionamiento de 0,003 mm. Ideal para mecanizado de aluminio y materiales blandos, ya que su husillo de alta velocidad permite alcanzar velocidades de corte elevadas.
• GA-MV856: Centro de mecanizado vertical con husillo mecánico de acoplamiento directo (12.000 rpm) y torque de 95,5 Nm. Adecuado para materiales más duros, ya que su alto torque permite mantener la velocidad de corte sin perder potencia.
• GA-UHD500: Centro de mecanizado de 5 ejes de alta precisión con husillo eléctrico (12.000 rpm) y torque de 130 Nm. Ideal para piezas complejas que requieren mecanizado de 5 ejes, ya que su precisión de posicionamiento de 0,006 mm garantiza la exactitud de las trayectorias curvas.

¿Qué sale mal?

Aunque estas estrategias son muy eficaces, pueden presentar fallos si los parámetros no se ajustan correctamente. A continuación, se presentan los modos de fallo más comunes, cómo reconocerlos y cómo solucionarlos:

1. Desgaste excesivo de la herramienta

   • Reconocimiento: La herramienta se desgasta mucho más rápido de lo esperado, o se observa desgaste por abrasión uniforme por toda la longitud de corte.
   • Causa: Velocidad de corte demasiado alta, carga de viruta demasiado baja o compromiso radial demasiado bajo.
   • Solución: Reducir la velocidad de corte en un 10% a 20%, aumentar la carga de viruta o aumentar el compromiso radial hasta el 20% del diámetro de la herramienta.

2. Vibración de la herramienta

   • Reconocimiento: Se observa una superficie rugosa en la pieza, o se escucha un ruido fuerte durante el mecanizado.
   • Causa: Profundidad de corte axial demasiado alta, herramienta demasiado larga o máquina con poca rigidez.
   • Solución: Reducir la profundidad de corte axial, usar una herramienta más corta o reducir la velocidad de corte.

3. Rotura de la herramienta

   • Reconocimiento: La herramienta se rompe de forma repentina durante el mecanizado.
   • Causa: Carga de viruta demasiado alta, compromiso radial demasiado alto o fallo en la evacuación de viruta.
   • Solución: Reducir la carga de viruta, reducir el compromiso radial hasta el 15% del diámetro de la herramienta o mejorar la evacuación de viruta usando refrigerante o una herramienta con mayor espacio entre filos.

4. Baja tasa de remoción de material

   • Reconocimiento: El tiempo de mecanizado es mucho mayor que el esperado.
   • Causa: Compromiso radial demasiado bajo, velocidad de corte demasiado baja o profundidad de corte axial demasiado baja.
   • Solución: Aumentar el compromiso radial hasta el 25% del diámetro de la herramienta, aumentar la velocidad de corte o aumentar la profundidad de corte axial.

Limitaciones honestas

Aunque estas estrategias tienen muchas ventajas, no son la mejor opción para todas las aplicaciones. A continuación, se presentan los casos en los que no son adecuadas:

1. Mecanizado de cavidades muy pequeñas

   • Las trayectorias curvas requieren un espacio mínimo para generar el movimiento de la herramienta. Para cavidades más pequeñas que 3 veces el diámetro de la herramienta, no se puede mantener un compromiso radial constante, por lo que la estrategia pierde su eficacia.

2. Máquinas con baja precisión de posicionamiento

   • Estas estrategias dependen de la capacidad de la máquina para seguir trayectorias curvas de forma exacta. Máquinas con precisión de posicionamiento mayor a 0,015 mm no pueden mantener la carga de viruta constante, lo que genera picos de esfuerzo y desgaste excesivo de la herramienta.

3. Mecanizado de materiales muy frágiles

   • Aunque la carga de viruta constante reduce los picos de esfuerzo, el movimiento curvo de la herramienta puede generar esfuerzos de flexión en materiales frágiles (como cerámicas o vidrio) que causan roturas de la pieza.

4. Herramientas de muy pequeño diámetro

   • Para herramientas con diámetro menor a 3 mm, el compromiso radial bajo (menor a 0,9 mm para un diámetro de 3 mm) reduce la TRM de forma significativa, por lo que el fresado convencional es más eficaz.

5. Mecanizado de desbaste grueso

   • Para aplicaciones donde se requiere eliminar una gran cantidad de material en poco tiempo, el fresado convencional con compromiso radial del 100% es más eficaz, ya que la TRM es mayor que en estas estrategias.

Tabla de parámetros y solución de problemas

Lista de verificación práctica para configurar el trabajo

Antes de iniciar el mecanizado, verifique los siguientes puntos:

1. Compatibilidad de la máquina: Asegúrese de que la máquina tenga una precisión de posicionamiento menor a 0,015 mm y suficiente potencia de husillo para el material.
2. Geometría de la herramienta: Use una herramienta con filos afilados, ángulo de desprendimiento positivo y recubrimiento adecuado para el material.
3. Parámetros iniciales: Configure el compromiso radial en el 15% del diámetro de la herramienta, la velocidad de corte en el 100% de la convencional y la carga de viruta en el 80% de la convencional.
4. Refrigerante: Asegúrese de que el refrigerante llegue directamente al área de corte para facilitar la evacuación de viruta.
5. Prueba inicial: Realice una pasada de prueba con parámetros reducidos para verificar que no haya vibraciones ni desgaste excesivo de la herramienta.
6. Ajuste gradual: Aumente los parámetros de forma gradual (velocidad de corte, carga de viruta, compromiso radial) hasta alcanzar el rendimiento óptimo.

Preguntas frecuentes

1. ¿Cuál es la diferencia entre fresado trocoidal y dinámico? El fresado trocoidal es una estrategia específica que genera trayectorias en forma de espiral para mantener la carga de viruta constante. El fresado dinámico es un término más amplio que incluye cualquier estrategia de mecanizado que ajusta los parámetros en tiempo real para optimizar el rendimiento, incluyendo el fresado trocoidal.

2. ¿Se pueden usar estas estrategias en mecanizado de acabado? Sí, pero no son la opción más eficaz. Estas estrategias están diseñadas principalmente para desbaste, ya que su principal ventaja es aumentar la vida útil de la herramienta y la TRM en el desbaste. Para acabado, el fresado convencional o el fresado de alta velocidad son más adecuados, ya que permiten obtener una superficie más lisa con mayor precisión.

3. ¿Qué tipo de software se necesita para generar estas trayectorias? Se necesita software de CAM (Manufactura Asistida por Computadora) que tenga módulos específicos para fresado trocoidal o dinámico. Ejemplos de software que incluyen estas funciones son Mastercam, Siemens NX y SolidWorks CAM.

4. ¿Se pueden usar estas estrategias en máquinas de 5 ejes? Sí, y son especialmente eficaces en mecanizado de 5 ejes para piezas complejas. El control de la carga de viruta constante reduce el desgaste de la herramienta en operaciones de desbaste de piezas con formas irregulares, lo que aumenta la vida útil de la herramienta y reduce los costos.

5. ¿Qué material se beneficia más de estas estrategias? Los materiales difíciles de mecanizar, como aceros inoxidables, titanio y aleaciones de níquel, se benefician más. Estas estrategias reducen el esfuerzo y el calor generado durante el mecanizado, lo que aumenta la vida útil de la herramienta de forma significativa (hasta un 300% en algunos casos) en comparación con el fresado convencional.

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