Mecanizado de alta velocidad

1. 1
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FFEEBBRREERROO 22000088

2. 2
Introducción al Mecanizado de Alta Velocidad
1. INTRODUCCIÓN
Iniciado el siglo XXI es prácticamente inimaginable la revolución experimentada por la tecnología de
fabricación en los últimos 10 - 15 años. La evolución de los ordenadores, de las nuevas tecnologías de
comunicación, etc., están revolucionando el mundo en general y en particular el mundo empresarial. En el
campo que nos concierne, mecanizado-fresado, “el cambio o la revolución” ya ha llegado y, aunque todavía
queda mucho camino por recorrer, el denominado Mecanizado a Alta Velocidad (MAV) es ya una realidad
que muchas empresas y mucha gente todavía desconocen.
El MAV hoy en día es una tecnología de corte con bases sólidas que abre las puertas del mecanizado de
materiales y figuras que antes no se podían mecanizar mediante el mecanizado convencional, como por
ejemplo: materiales con una dureza superior a 50 Hrc o paredes delgadas de 0.2 mm., etc.
2. PERO, ¿QUÉ ES EL MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD?
Es mecanizar a altas velocidades de corte (Vc)? Es mecanizar a altas velocidades de husillo (n)? Es
mecanizar a altos avances (Vf)?
Actualmente, el MAV tiene muchas definiciones. Pero una cosa clara es que no significa obligatoriamente
mecanizar a altas revoluciones de husillo, ya que muchas de las aplicaciones se realizan con velocidades de
husillo moderadas (3.000 - 6.000 rpm) y herramientas de gran diámetro (25 - 30 mm.). Las condiciones del
proceso (velocidad de corte, avance, profundidades de corte radial y axial, etc.). dependerán del material a
mecanizar, así como de las máquinas y herramientas disponibles.
Cada material y aleación que pretendamos mecanizar posee sus propias características de maquinabilidad,
lo que nos marcará los límites operativos del proceso. Por ejemplo, no es lo mismo mecanizar:
• Materiales blandos (aluminio, cobre, magnesio, etc.) que duros (aceros templados, titanio, níquel,
etc.).
• Materiales de gran maquinabilidad (aluminio, magnesio,…) que de poca maquinabilidad
(titanio, inconel, acero para herramientas, etc.).
Así, el triangulo material-herramienta-máquina limitará los parámetros de corte, estrategias de mecanizado,
volumen de material extraído por unidad de tiempo, etc. La velocidad de corte y las condiciones de proceso
en general dependerán del material a mecanizar. La siguiente gráfica muestra los rangos de velocidades de
corte en función del material mecanizado.

3. 3
Definición: El Mecanizado de Alta Velocidad consiste en la optimización del mecanizado con las
posibilidades existentes limitado por la pieza/material a mecanizar y las herramientas-máquinas (CAD/CAM-
CNC) disponibles. Esto puede suponer mecanizar a velocidades de corte entre 5 y 10 veces superiores a las
que se utilizan de manera convencional “para cada material”.
Un paso hacia el mecanizado óptimo
Podemos considerar que con el Mecanizado a Alta Velocidad se ha dado un paso importante hacia el
mecanizado óptimo de cada material. A medida que se vayan desarrollando y mejorando las maquinas,
herramientas, los programas de CAD-CAM, los CNC, etc. se irá avanzando hacia la optimización general del
mecanizado, en el que cada material tendrá sus óptimas condiciones de corte, sus estrategias, sus
herramientas, etc.
3. ¿QUÉ SUPONE EL MAV EN UNA EMPRESA?
La incorporación de MAV constituye un paso importante hacia el mecanizado en óptimas condiciones y la
posibilidad de mecanizar algunos materiales (aluminio, magnesio, etc.) a altas velocidades de corte Vc
(>30.000 rpm), altos avances (2g), etc.
3.1 Un cambio de filosofía
1. Cambio de mentalidad y distribución del tiempo.
• Diferencias en el gasto del tiempo que deben ser asumidas.
• En el proceso MAV, el gasto en tiempo CAD/CAM es generalmente mayor que el gasto de tiempo en
mecanizado.
• Esto genera una mayor necesidad de personal en CAD/CAM y menor a pie de máquina.
2. Nuevas infraestructuras, formación del operario, herramientas, controles, etc.
• La máquina: Debe ser capaz de responder a las velocidades de mecanizado deseada y al perfil
objetivo (rígida, precisa, segura, etc.).
• CNC: Deben ser capaces de prever cómo va a cambiar la trayectoria exigida a esa herramienta en el
instante de tiempo siguiente (look ahead, nurbs, etc.).
• CAD Y CAM: Debe ser capaz de crear adecuadas estrategias para el MAV.
• La herramienta: Debe ser resistente al desgaste y adecuada para la operación requerida. Los
recubrimientos aumentarán la vida de las herramientas.

4. 4
El MAV es un nuevo mundo y una nueva forma de trabajar, que supone un cambio de mentalidad y
necesidades: es una tecnología que no tiene nada que ver con el mecanizado convencional.
El MAV tiende a sustituir las pasadas de gran profundidad a baja velocidad de corte por muchas pasadas
rápidas de menor profundidad de corte, obteniendo un considerable aumento de viruta desalojada (volumen
de material por unidad de tiempo). Las altas velocidades de corte y los elevados avances disminuyen las
fuerzas de corte gracias a espesores de viruta cada vez más pequeños.
4. VENTAJAS QUE OFRECE EL MAV
• Disminución de las fuerzas de corte en los materiales dúctiles, posibilidad de mecanizar
paredes delgadas (0,2 mm.)
• Mayor precisión de los contornos , mejor calidad superficial y tolerancias dimensionales más precisas
• Reducción del tiempo de pulido
• Mecanizado de una sola atada para el desbaste y acabado
• Mecanizado de paredes finas
• Reducción del tiempo de mecanizado y coste global
• Disminución del coeficiente de rozamiento viruta-herramienta
• Evacuación casi total del calor por medio de la viruta
• Aumento en la vida de la herramienta
• Posibilidad de mecanizado de aceros duros (>50 Hrc) como si fuera mecanizado en caliente
5. CONCLUSIÓN
Hoy por hoy el MAV no representa una solución general de mecanizado, pero supone una oportunidad de
optimización en determinados campos de aplicación.
Herramientas para mecanizado a alta velocidad
1. INTRODUCCIÓN:
En el MAV podemos decir que la herramienta es un factor clave. El MAV no existiría si no se dispusiera de
herramientas capaces de soportar las nuevas condiciones de mecanizado, en especial las elevadas
temperaturas de oxidación. El desgaste y los altos costes de las herramientas suponen actualmente una
limitación en el mecanizado. Una limitación que va decreciendo poco a poco. Pero cuales son las causas
más comunes por las que se desgastan las herramientas:
- Desgaste por abrasión: desgaste producido por el contacto entre materiales más duros que la herramienta
y la propia herramienta rayándola y desgastándola.
- Desgaste por adhesión: cuando en la zona de corte debido a las altas temperaturas, el material de corte y
la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.

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- Desgaste por difusión: desgaste producido por el aumento de la temperatura de la herramienta, con lo
que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie
de la herramienta.
- Fallas mecánicas: fallas producidas por estrategias, condiciones de corte, herramientas, etc. inadecuadas.
El material de la herramienta debe cumplir con habilidades específicas tales como:
- Ser suficientemente dura para resistir el desgaste y deformación pero tenaz para resistir los cortes
intermitentes e inclusiones.
- Ser químicamente inerte en relación al material de la pieza de trabajo y estable para resistir la oxidación,
para evitar que se genere el filo recrecido y desgaste prematuro.
Estas propiedades permitirán mecanizar con altas velocidades de corte, aumentar la vida de las
herramientas, permitir obtener la mejor calidad superficial y dimensional posible en la pieza a mecanizar.
Pero, ¿cómo sabremos qué herramientas utilizar, qué papel juega cada una de sus propiedades? ¿Cómo
seleccionaremos la herramienta adecuada para cada material? Y, para cada aplicación en concreto, ¿cuáles
son los factores que influyen tanto en la vida de la herramienta como en la calidad superficial de la pieza: los
recubrimientos, su geometría, el fluido refrigerante, el fluido de corte y la estrategia de mecanizado, longitud
de la herramienta, etc.?
Para conocer un poco más a fondo estas características realizaremos un estudio de las herramientas.
2. ESTUDIO DE LAS HERRAMIENTAS:
Para realizar el estudio de las herramientas seleccionaremos los tres campos clave en una herramienta:
(material de la herramienta), geometría y recubrimiento.
2.1. Sustrato
Aceros: para trabajos en frío o en caliente - No se utilizan en el MAV
Acero rápido: una aleación de metales que contiene alrededor de un 20% de partículas duras. Apenas se
utilizan en el MAV.
Carburo cementado o metal duro: hecho con partículas de carburo unidas por un aglomerante a través de
un proceso de sinterizado. Los carburos son muy duros y representan de 60% a 95% del volumen total. Los
más comunes son: Carburo de tungsteno (WC), carburo de titanio (TiC), carburo de tantalio (TaC), carburo
de niobio (NbC). El aglomerante típico es el cobalto (Co). Son muy adecuados para el mecanizado de
aluminio y silicio.
Carburo cementado recubierto: la base de carburo cementado es recubierta con carburo de titanio (TiC),
nitruro de titanio (TiN), óxido de aluminio (Al2O3) y nitruro de titanio carbono (TiCN), nitruro de titanio y
aluminio (TiAlN). La adhesión del recubrimiento será mediante CDV (deposición química por vapor), PVD
(deposición física por vapor) y MTCVD (deposición química por vapor a temperatura media). Buen equilibrio
entre la tenacidad y la resistencia al desgaste.
Cermets (CERamic / METal): Aunque el nombre es aplicable incluso a las herramientas de carburo
cementado, en este caso las partículas base son de TiC, TiCN, TiN en vez de carburo de tungsteno. El
aglomerante es níquel-cobalto. Buena resistencia al desgaste y formación de cráteres, alta estabilidad
química y dureza en caliente. Baja tendencia a la oxidación y a la formación del filo recrecido. Son de gran
dureza y resistencia a la abrasión en detrimento de su tenacidad. Los cermets se aplican mejor a aquellos
materiales que producen una viruta dúctil, aceros y las fundiciones dúctiles. Los modernos aleados TaNbCy
MoC añadidos incrementan la resistencia de los cermets ante el choque cíclico propio de la operación de
fresado.
Cerámicos: Existen dos tipos básicos de cerámica: Las basadas en óxido de aluminio (Al2O3) y las de nitruro
de silicio (Si3N4). Son duras con alta dureza en caliente, y no reaccionan químicamente con los materiales

6. 6
de la pieza. Sin embargo son muy frágiles. - Ideales para el mecanizado de piezas en duro y como
reemplazo de las operaciones de rectificado. ·
Nitruro de Boro Cúbico (CBN): Es uno de los materiales más duros. Ocupa el segundo lugar después del
diamante. Dureza extrema en caliente, excelente resistencia al desgaste y en general buena estabilidad
química durante el mecanizado. Es frágil, pero más tenaz que las cerámicas.
Diamante policristalino (PCD): Es casi tan duro como el diamante natural. Este diamante sintético tiene una
increíble resistencia al desgaste y una baja conductividad térmica. Sin embargo, son muy frágiles. La vida de
la herramienta es hasta cien veces mayor que la del carburo cementado. Desventajas: las temperaturas de
corte no deben exceder 600 ºC, no puede ser usado para cortar materiales ferrosos porque existe afinidad, y
no sirve para cortar para materiales tenaces.
2.2. Geometría
Espiga (cuello) cónica: Con el fin de mejorar la rigidez.
Alma de gran diámetro: Mayor estabilidad a la herramienta, reduce las vibraciones y el riesgo de mellado
de los filos. Menor flexión y una mejor tolerancia de la pieza mecanizada.
Cuello de la herramienta rebajado: Mayor alcance en cajeras profundas. Evita el contacto y los roces.
Reduce las vibraciones.
Mango cilíndrico largo: Para una mejor sujeción y equilibrio.
Ángulo de desprendimiento negativo (-15º): Mayor estabilidad y resistencia del filo. Menor tiempo de
contacto con la viruta. El calor se transmite a la viruta. Mínima tolerancia de radio. Mejor acabado superficial.
Menor necesidad de pulido. Producto final más próximo a la forma definitiva.
2.3 Canales de evacuación de viruta según el tipo de material a mecanizar
Aleaciones ligeras: Arista muy viva para permitir un corte suave evitando la adherencia de material al filo.
Herramientas de pocos labios (2) con ángulos de hélice de 25º a 30º y paso largo para facilitar la evacuación
de grandes caudales de viruta.
Materiales duros: Pasos y longitudes de corte cortos, mayor rigidez. Mucha hélice para disminuir la
resistencia al corte y mejorar el acabado. Herramientas de muchos labios (4-8): Breve contacto con la viruta -
menor absorción de calor, viruta corta.
Herramientas enterizas y de insertos:
Enterizas: Mayor precisión, rigidez y equilibrado. Mejor calidad de pieza. Disposición de herramientas de
cualquier diámetro. Elevado coste. Distintos tipos de material. Dificulta a la hora del afilado: necesidad de
una estrecha relación proveedor-usuario.
De insertos: Menos rígida: Menor precisión superficial y dimensional. Diámetros cercanos a los 8 mm. Solo
metal duro para MAV. Normalmente para desbaste, necesita mucha potencia. Menor coste. Facilidad de
reposición.
2.4 Recubrimientos
Las características principales de los recubrimientos se resumen en los siguientes puntos:
• Aumentan la dureza en los filos de corte de la herramienta.
• Facilitan la disipación del calor acumulado en el filo de corte.
• Baja conductividad térmica que favorece la eliminación del calor a través de la viruta.
• Aumentan la resistencia a la abrasión, disminuyen la afinidad herramienta-pieza.
• El grosor del recubrimiento varía entre 0.0001”y 0.0005”.
• Los recubrimientos se aplican mediante deposición química de vapor o deposición física de vapor.

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2.4.1 Recubrimientos de TiAlN
Son los que más se utilizan actualmente, y poco a poco van dejando atrás los demás. Los recubrimientos
TiAlN multicapa están remplazando los de TiCN, y los monocapa a los de TiN.
TiAlN (multicapa y monocapa) son recubrimientos extraduros (PVD) basados en nitruro de titanio aluminio
que destacan por su dureza, estabilidad térmica y resistencia a ataques químicos. Protegen las aristas de
corte por abrasión y adhesión así como por carga térmica.
• Multicapa: combina la elevada tenacidad de la estructura multicapa, con su alta dureza 3.000 (Hv
0.05) y la buena estabilidad térmica, 800ºC, y química de la capa TiAlN. Así protege las herramientas
de corte de acero rápido y metal duro contra el desgaste prematuro producido por tensiones severas.
Debido a su estabilidad térmica, permite trabajar en mecanizados a altas velocidades e incluso en
seco o con mínima cantidad de lubricante.
• Monocapa: desarrollado para su aplicación en fresas de metal duro utilizadas en condiciones de
mecanizado severas. Su elevada dureza, 3.500 (Hv 0.05), y notable estabilidad térmica, 800ºC, y
química hacen que sea óptimo para las fresas que se utilizan en el mecanizado de materiales
térmicamente tratados, como por ejemplo en moldes, punzones, matrices y utillajes de forja.
2.4.2 Recubrimiento de diamante
Se utiliza en herramientas para mecanizar materiales muy abrasivos como el grafito. Durante el mecanizado
de estos materiales las herramientas se desgastan rápidamente y la calidad de las superficies mecanizadas
y la precisión dimensional son pobres. Con las herramientas recubiertas de diamante, un recubrimiento cuya
dureza es superior a los 8.000Vickers, además de obtener una vida útil más larga y poder aumentar las
velocidades de corte, disminuyendo así de manera importante el tiempo de mecanizado, se consigue un
buen acabado de la superficie y una buena precisión dimensional.
2.4.3 Recubrimiento WC/C
Realizado por deposición física al vapor a temperaturas alrededor de los 200 ºC. Al realizarse el proceso de
recubrimiento en alto vacío, las propiedades del recubrimiento son sustancialmente mejores que las logradas
a presión atmosférica (proyección térmica), o en gases y baños (nitruración, galvanizado). Los
recubrimientos tienen un espesor de capa de solo unas micras de espesor y son la última operación dentro
de los componentes de precisión. Este recubrimiento presenta una combinación única de características:
Bajo coeficiente de fricción, alta resistencia al desgaste, una excelente capacidad de carga.
2.4.4 Recubrimientos de TiAlN monocapa combinado con WC/C
Este recubrimiento hace frente a todos aquellos mecanismos de desgaste que se dan en la formación y
evacuación de viruta. Este recubrimiento combina la alta dureza y estabilidad térmica del recubrimiento TiAlN
con las buenas propiedades de deslizamiento y lubricación del recubrimiento WC/C. Se utiliza sobre todo en
taladrados y roscados.
Recubrimiento TiN TiCN WC/C
TiAlN
(monocapa)
+WC/C
TiAlN
(multicapa)
TiAlN
(monocapa)
Microdureza 2300 3000 1000 2.600-1.000 3000 3500
Coeficiente de rozamiento
contra el acero
0,4 0,4 0,2 0.2 0,4 0,4
Temperatura máxima de
trabajo
600 400 300 1000 800 800
Color
oro-
amarillo
azul-
gris
gris oscuro violeta-gris púrpura-gris
Espesor del recubrimiento 1-4 1-4 1-4
2-6(1/3 wc/c; 2/3
TiAlN)
1-5 1-3

8. 8
Portaherramientas para máquinas de alta velocidad
El objetivo de este capítulo es presentar los distintos tipos de portaherramientas que existen actualmente en
el mercado para el mecanizado a alta velocidad. Asimismo, se van a examinar las relaciones existentes entre
el desequilibrio y los diferentes tipos de portaherramientas.
1. INTRODUCCIÓN
El mecanizado de alta velocidad requiere altas precisiones de concentricidad de la herramienta de corte con
el fin de evitar errores y aumentar la seguridad del proceso en el mecanizado a altas revoluciones de corte.
Actualmente los conos portaherramientas más utilizados son los especiales tipo HSK. También se utilizan los
conos SK 40 & 50 (DIN 69871) y BT 40 & 50.
Las ventajas de los sistemas de amarre tipo HSK, frente a los portaherramientas más convencionales, se
resumen en los siguientes puntos:
• Proporcionan mayores exactitudes de cambio y repetitividad.
• Transmisión segura de un elevado par con un posicionamiento radial definido (ausencia de run-out).
• Gran rigidez a la flexión estática y dinámica.
• Disminución del peso y de la longitud total, con lo que se disminuyen los problemas de tipo inercial.
2. AJUSTES
El ajuste de la herramienta en el portaherramientas debe ser extremadamente preciso. Los diferentes
sistemas empleados para el ajuste de herramientas en los portas de alta velocidad son:
Mecánico: Este tipo de ajuste es el conocido universalmente como ajuste de tuerca y pinza (porta-pinzas).
En el caso de tuerca de gran apriete, la pinza es cilíndrica, en cambio, en el caso tradicional, de una tuerca
normal, la pinza es cónica.
Hidráulico: No es una opción muy recomendable, ya que al girar a altas revoluciones (a partir de 20000
rpm.), la limitada rigidez, hace aumentar el salto radial de la herramienta. Las ventajas que presenta este
portaherramientas es que no necesita ningún mecanismo secundario, sin embargo el coste individual del
portaherramientas (sin contar el mecanismo de calentamiento de los térmicos) es más elevado que los
térmicos.
Térmico: El portaherramientas se somete a un proceso de calentamiento, con lo que aumenta el diámetro
interior por dilatación. Una vez dilatado se introduce la herramienta, y tras el subsiguiente proceso de
contracción queda sujeta la herramienta. Esta opción es la mas recomendada, pero actualmente también es
la mas compleja y cara, ya que obliga a disponer de un porta por diámetro de herramienta, y un dispositivo
térmico auxiliar para la sujeción.
La elección del tipo de portaherramientas dependerá del centro de mecanizado y la precisión con la que se
piense trabajar.
En la tabla adjunta se muestra la precisión proporcionada por cada uno de los sistemas de amarre
comentados en párrafos anteriores:

9. 9
Útil Precisión (m/m)
Portapinzas convencional 0.015
Portapinzas tipo Weldon 0.020
Portapinzas hidráulico 0.003
Porta de deformación mecánica 0.003
Porta de dilatación térmica 0.003
A velocidades de 8.000 rpm y superiores los desequilibrios relativamente pequeños pueden producir fuerzas
peligrosamente altas en los rodamientos del husillo, lo que redunda en una disminución de la vida útil del
mismo.
3. EFECTOS DEL DESEQUILIBRIO
Los efectos negativos del desequilibrio de la herramienta/portaherramientas pueden ser divididos en dos
categorías:
Efectos sobre la pieza mecanizada: rechinar de la superficie metálica causadas por el movimiento de la
herramienta de corte. Otro efecto es la imposibilidad de conseguir tolerancias muy precisas.
Efectos sobre la máquina: Son más destructivos que los efectos sobre la pieza mecanizada. Las fuerzas
centrífugas causan grandes tensiones internas en el husillo Estas tensiones provocan generan un fallo
prematuro de los rodamientos. Esto puede significar la parada de producción de una máquina de alta
velocidad durante semanas con el fin de sustituir el husillo de precisión, operación que no está exenta
además de un alto coste económico. Otro efecto del desequilibrio está relacionado con la reducción de la
vida de la herramienta de corte (50% menos respecto al uso de portaherramientas equilibrados).
Fig. 1. Fig. 2.- Comparación entre vástagos HSK y CAT (SK)
En un principio todos los portaherramientas son equilibrados desde su fabricación a las revoluciones que
exige el cliente (G6.3, G2.5…). El portaherramientas que ofrece un mayor grado de equilibrado es el térmico;
sin embargo existen equipamientos externos que nos permitirán un equilibrado más preciso. Para el
mecanizado a alta velocidad, lo ideal sería reequilibrar el conjunto herramienta / portaherramientas / husillo
en la propia máquina herramienta. No obstante, hoy en día, existen muy pocos sistemas para un equilibrado
completo, por lo que hay que hacerlo en una máquina de equilibrado externa.

10. 10
Refrigeración en Mecanizado de Alta Velocidad
1. INTRODUCCIÓN
En los procesos de corte, aproximadamente el 97% de la energía mecánica se transforma en energía térmica
a través del cizallamiento, corte y fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta.
Aunque gran parte de la energía es evacuada por las virutas, el calor se acumula en lugares cercanos al
punto de corte y a la cara de desprendimiento en contacto con las virutas. Esta acumulación de energía
provoca fenómenos no deseados en el proceso de mecanizado:
a) La herramienta se fragiliza y se estimula el desarrollo del desgaste.
b) Respecto a la calidad final del componente mecanizado, la precisión geométrica disminuye debido a la
expansión de la herramienta y de la pieza con el calor.
En todo proceso de mecanizado se dan cita tres funciones vitales: lubricación, refrigeración y retirada del
material excedente
Lubricación: Su objetivo es reducir las fuerzas de corte y el desgaste de la herramienta mediante la
disminución de la fricción entre la cara de incidencia de la herramienta y la superficie de la pieza, así como
entre la cara de desprendimiento y las virutas. Los fluidos refrigerantes actúan directamente en el punto de
fricción, creando una capa protectora en esa zona y no permitiendo un contacto directo entre la herramienta
y la pieza.
Refrigeración: Mitiga el desequilibrio térmico del sistema generado durante el proceso por el rozamiento
entre pieza y herramienta, además del calor generado por deformación plástica en el proceso de formación
de la viruta.
Retirada del material excedente. La evacuación y transporte de las virutas es una de las funciones más
importantes de los fluidos lubricantes. Si éstas permanecen cerca de la zona de corte calientan la pieza e
influyen en la precisión final del componente mecanizado. Por otra parte, las virutas tienen un alto impacto en
la vida de la herramienta cuando son cortadas de nuevo, aumentando la temperatura y las fuerzas en el
punto de corte, lo que provoca desgastes del tipo de descascarillado en los filos de corte.
2. TENDENCIAS EN EL USO DE LUBRICANTES
Los fluidos lubricantes / refrigerantes son uno de los agentes más efectivos en términos de productividad de
los procesos de mecanizado, aunque también tienen un factor indeseable.
En la última década los problemas asociados al impacto medioambiental de los procesos de fabricación han
sido objeto de amplios estudios y consideraciones. Las condiciones ambientales en los puesto de trabajo se
vuelven necesariamente malas cuando los lubricantes se evaporan debido al calor generado en el proceso
de corte. Los lubricantes poseen gran cantidad de componentes y aditivos (del tipo clorado y sulfúrico) que
tienen alta influencia no sólo en la salud de los operarios sino también en el posterior tratamiento y
almacenaje de los residuos.
3. EL PROCESO MAV Y EL USO DE LUBRICANTES
En el caso del mecanizado de alta velocidad, es necesario aclarar ciertos aspectos que hacen a este proceso
un tanto peculiar en referencia al uso común de lubricantes y refrigerantes.
En el proceso MAV el tiempo de contacto entre la herramienta y la viruta es extremadamente corto debido a
la alta velocidad de giro del cabezal, por lo que la transferencia de calor a la herramienta es también
pequeña y se reduce por tanto la necesidad de disponer de un sistema de lubricación. Esta presunción es
siempre dependiente del material que estemos mecanizando, ya que la transferencia de energía depende del
coeficiente de transmisión térmica de cada material, pero es aplicable a la mayoría de aceros, en algunos
tipos de aleaciones ligeras (aluminio y magnesio), y no es aplicable en el caso del mecanizado de aleaciones
de baja maquinabilidad (aleaciones base titanio y base níquel).

11. 11
El desarrollo de recubrimientos de última generación, con una excelente resistencia a alta temperatura
favorecen la posibilidad de realizar el mecanizado en situaciones de ausencia de refrigerante o con una
mínima cantidad del mismo (MQL, o Minimum Quantity Lubricant).
Abordando el proceso de mecanizado desde los puntos de vista económico y medioambiental, la industria
está sugiriendo nuevos procesos y métodos de lubricación. El paso más lógico para evitar estos problemas
es el mecanizado en seco. Algunas herramientas recubiertas de cerámica, carburo de tungsteno con carbono
(WC/C), nitruro de titanio-aluminio (TiAlN), bisulfuro de molibdeno (MoS2), diamante, etc., han demostrado
un excelente comportamiento en el mecanizado en condiciones de ausencia de lubricación. Estos materiales
de recubrimiento son tan duros que resisten el desgaste y se consiguen incrementos de vida de herramienta
de entre el 30 y el 70%. Sin embargo, tales herramientas para condiciones de corte en seco deben ser
consideradas como particularmente críticas.
En el caso en el que no se pueda realizar un mecanizado en seco 100% por cualquier razón tecnológica, el
mecanizado MQL proporciona una alternativa al mecanizado con flujo normal de lubricante. Debido a que la
cantidad de lubricante utilizada es mínima, del orden de 0.01 - 0.5 ml/min, tanto la herramienta como la pieza
permanecen secas, con lo que los costes de lubricantes y tratamiento de residuos se minimizan, así como
los riesgos a la salud de los operarios.
Sistemas de lubricación MQL externo e interno
En el mecanizado con lubricación MQL la función de refrigeración se consigue a través de la gran cantidad
de aire que se insufla en la zona de corte, y la función de lubricación entre la herramienta y la pieza se
consigue por medio de una pequeña cantidad de lubricante.
Software CAD/CAM para Mecanizado de Alta Velocidad
1. INTRODUCCIÓN
Desde que el conocimiento del proceso de mecanizado a alta velocidad ha llegado a ser una tecnología
extendida en el sector industrial, las empresas que desarrollan software han pretendido “no perderse el
carro” de la innovación, colocando el sello “Software para el mecanizado de Alta Velocidad” en sus productos.
Esta campaña de marketing ha supuesto el desconcierto entre los usuarios, primero por conocer si su
paquete de CAD/CAM está o estará a la altura necesaria y, segundo, por quienes deben incorporar en sus
empresas un software de alto nivel y les es difícil “despejar el camino”.
A continuación describimos las diferentes estrategias de corte que se emplean habitualmente en las
operaciones de mecanizado a alta velocidad, las cuales deben estar disponibles por aquel sistema de
CAD/CAM que quiera competir en el área del mecanizado de alta velocidad.

12. 12
2. OPERACIÓN DE DESBASTE
Raster: esta trayectoria se genera a partir de un
ángulo dado en XY, manteniendo un con paso
lateral ae y un paso vertical ae. El software
debiera incluir por defecto diferentes opciones
para adaptarse al mecanizado de alta velocidad,
como son radios en los cambios de dirección,
entradas en espiral, etc.
Trocoides o Epicicloides: pocos paquetes
incorporan este tipo de estrategia avanzada. La
novedad de esta forma de trabajo es que se
consigue evacuar grandes volúmenes de material
con bajos niveles de consumo de potencia del
cabeza, caso que es muy frecuente en los centros
de mecanizado de alta velocidad.
Perfilado u Offset: consiste en obtener trayectorias
siguiendo el contorno de la geometría. De la
misma manera que la trayectoria Raster, el
software debiera incluir por defecto diferentes
opciones para adaptarse al mecanizado de alta
velocidad como son radios en los cambios de
dirección, entradas en espiral, etc.
Entradas en Z: debe de incorporar diferentes
formas de entrar la herramienta sobre la pieza:
taladro, rampa o espiral, ésta última es la más
recomendable para salvaguardar la integridad de
la herramienta.
Arcos: el software debiera generar
automáticamente radios o arcos para evitar
paradas bruscas ante un cambio de trayectoria.
Cambios de Dirección: es necesario tener un
control total de la trayectoria programada, el
software nos debe permitir en todo momento
cambiar la dirección de mecanizado.
Mecanizado de restos: El paquete de CAD/CAM debe
reconocer de forma automática zonas que no ha
mecanizado una herramienta anterior.

13. 13
Edición de las sendas de mecanizado: en muchos
de los casos es necesario modificar la senda de
mecanizado obtenida de forma automática para
hacerla coincidir con zonas concretas de la
geometría, el paquete de CAD/CAM debe permitir
editar la trayectoria para modificarla, borrarla, etc...
Minimizar los movimientos de trabajo con el
diámetro de la herramienta: el software nos
debiera proponer unas trayectorias de mecanizado
evitando que la herramienta mecanice con todo su
diámetro.
3. OPERACIONES DE ACABADO
En el mecanizado de alta velocidad es necesario calcular muchas trayectorias por lo que el software debe
ser muy flexible.
ZIG-ZAG o Raster
Estrategia que la mayoría de paquetes de CAD/CAM
incorpora, la senda de mecanizado se proyecta con un
ángulo programado
Planos en Z
La senda de mecanizado contornea la geometría con
pasos verticales constantes. .

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Espiral
Se proyecta la forma de una espiral sobre la pieza
Radial
El software proyecta radios sobre la geometría con una
separación que se introduce por el usuario
Offset
En esta estrategia se mantiene constante el paso
lateral proyectado sobre la superficie para lo cual,
realiza una reducción del contorno sobre toda la
superficie de la pieza.
Mecanizado por zonas
El software debe dar la posibilidad de dividir la pieza
por zonas y así, mecanizar cada zona con la estrategia
que más convenga.
Límites
El paquete de CAD/CAM debe ser flexible para crear
límites sobre las superficies con objeto de crear
estrategias por zonas.
Bitangencias
El software debe incorporar la posibilidad de
seleccionar zonas de unión de superficies con radios
de curvatura pequeños

15. 15
4. SIMULACIÓN DEL MECANIZADO
El software debe incorporar la posibilidad de simular las estrategias de mecanizado. A pesar que existen
software específicos para la simulación de las trayectorias, somos de la opinión que esta opción debe estar
incorporada como una herramienta más dentro del propio programa de CAD/CAM
Controles numéricos para MAV
1. INTRODUCCIÓN
Las aplicaciones de alta velocidad en máquina herramienta exigen un nivel mínimo de prestaciones a los
CNC’s que gestionan el proceso de mecanizado, de modo que sean capaces de controlar las altas
velocidades y aceleraciones de los ejes con el nivel de precisión requerido.
El procesamiento de los datos en el CNC comienza por el intérprete del programa, el cual descifra el
programa escrito en formato ISO de manera que pueda ser asimilado por sistema de control y ejecutado en
el interpolador. Pero antes de que los datos lleguen al interpolador es necesario realizar una serie de
transformaciones como compensación de la geometría de la herramienta, escalado, rotación, cinemática de
la máquina, etc. Después, el interpolador actúa enviando a los servos las consignas adecuadas.
En aplicaciones de contorneado, la forma más habitual de especificar las trayectorias que debe seguir la
herramienta está basada en la generación de una sucesión de puntos entre los cuales se realizan
interpolaciones lineales. Cuanta más precisión se exige, mayor es el número de puntos, y el hecho de tener
que procesar toda esa cantidad de información con precisión y a gran velocidad impone la adopción de
soluciones específicas en los controles numéricos para alta velocidad.
EL CNC tiene que ser capaz de realizar las operaciones manteniendo los diferentes errores que se producen
dentro de las tolerancias establecidas. Para el trabajo en alta velocidad, las exigencias son, como cabe
esperar, más severas debido sobre todo a los altos valores de avance que se requieren. En los siguientes
puntos se analizan las prestaciones que puede disponer un CNC para trabajar en alta velocidad.
Existen en el mercado numerosos fabricantes de CNCs especialmente diseñados para el mecanizado de alta
velocidad, entre ellos podemos citar los siguientes: Fidia, Fagor, Heidenhain, Siemens, Fanuc, Selca, Num,
etc.

16. 16
CNCs Fidia para alta velocidad
2. CARACTERISTICAS DE LOS CNC DE ALTA VELOCIDAD
2.1 Tiempo de ciclo del servoaccionamiento
El tiempo de ciclo del servoaccionamiento es el tiempo que transcurre entre cada medida de posición y
actualización de la consigna que el CNC envía a los diferentes servoacionamientos.
El valor de este tiempo marca la precisión en distancia que se puede obtener para un eje moviéndose con un
avance determinado, o viceversa, para una precisión o distancia mínima entre medidas determinada marca
la velocidad de avance máxima. Por ejemplo, para una velocidad de avance de 6 m/ min y un tiempo de ciclo
del servo de 1 ms, se tiene que por cada vez que el CNC mide la posición del eje este se ha movido 0,2 mm.
Este problema de resolución obliga a que los CNCs dispongan de tiempos de ciclo del servo rápidos si se
quiere trabajar con precisión con valores de avance rápidos.
El tiempo de ciclo del servo es uno de los aspectos clave a tener en cuenta para mecanizar rápido con
precisión. Los CNCs para alta velocidad disponen en la actualidad de tiempos de ciclo del servo del orden de
unos 100µs.
2.2 Tiempo de proceso de bloque
El tiempo de proceso de bloque es el mínimo tiempo que transcurre entre la ejecución de dos bloques del
programa de CNC. El tiempo proceso de bloque incluye el tiempo que necesita el CNC para interpretar un
dato del programa, incluyendo todas las funciones preparatorias (compensaciones, transformaciones...), y
además iniciar y terminar el movimiento en cuestión. En alta velocidad, y especialmente para aplicaciones de
contorneado, es habitual exigir tiempos de proceso de bloque de 1 ms.
La velocidad de proceso de bloque necesaria para obtener una precisión determinada depende de la
capacidad de aceleración de la máquina. Reducir el tiempo de proceso de bloque a valores por debajo de la
capacidad de aceleración de la máquina no reduce el tiempo de ejecución del mecanizado.
Interface digital con los accionamientos. Accionamientos digitales
El uso de un interface digital entre el CNC y los accionamientos, permite a éste disponer de más información
sobre el estado de los accionamientos así como influenciar el comportamiento de los lazos. Los
accionamientos digitales permiten al CNC disponer de funciones tales como:

17. 17
• Alta resolución digital en la monitorización de la velocidad y la trayectoria.
• Algoritmos de control de alto nivel, pudiéndose destacar:
⇒ Feed-forward en los lazos de posición y velocidad, también conocidos como feed-forward de
velocidad y aceleración. Se trata de controles en avance que permiten una importante
reducción de los errores de seguimiento ante cambios de consigna.
⇒ Amortiguación activa, consigue incrementar el valor de la amortiguación del sistema
electromecánico para poder incrementar el valor de la ganancia Kv del lazo de posición y
trabajar con un mayor grado de precisión.
⇒ Compensaciones de fricciones estáticas y holguras
• Amplio rango de opciones de análisis, como por ejemplo osciloscopio o analizador de frecuencias
integrados.
• Posibilidad de realizar funciones de tratamiento de señal (DSP), tales como la implementación de
filtros digitales.
2.3 Look-Ahead
Quizás una de las prestaciones más importantes de la que es necesario que cualquier CNC disponga para
trabajar en alta velocidad sea la función “look-ahead” (mirar en adelanto). En la función Look-Ahead el
procesador del CNC evalúa por adelantado los cambios en los movimientos de los ejes que aparecen en el
programa de pieza que se está ejecutando para responder antes de que sea demasiado tarde, permitiendo a
la máquina realizar el ajuste a tiempo. Esto permite a la máquina mantener el avance a valores relativamente
altos evitando marcas en el mecanizado, redondeo de aristas o bruscos arranques y paradas de la máquina,
por medio de ir ajustando la velocidad mirando el programa por adelantado.
Look ahead: Fuente Siemens
No existe ninguna regla que diga cuantos bloques es suficiente mirar por adelantado. Esta cantidad es
dinámica, cambia en función de los detalles de la pieza, las exigencias en cuanto a precisión, o las
características de la máquina. Como regla general, cuanto más lenta sea una máquina (menor aceleración),
mayor número de bloques Look-Ahead serán necesarios. El trabajar con mayor número de bloques en Look-
Ahead que el necesario no influye en principio en el mecanizado, pero se pierde potencia de cálculo en el
CNC ya que esta realizando operaciones innecesarias. El número típico en alta velocidad está por encima de
100 bloques, aunque hay casos en los que se puede llegar hasta 1000 bloques.
2.4 Control de aceleraciones
El tener altos valores de jerk o sacudida supone fuertes cargas para la mecánica de la máquina herramienta
y provoca vibraciones en los ejes. Los controles proporcionan la posibilidad de limitar el valor del jerk, lo que
hace que el perfil de la aceleración no sea una constante, sino que tenga forma trapezoidal, mejorando
notablemente el comportamiento de la máquina.

18. 18
Perfiles de aceleración
Se logran todavía mejores resultados suavizando la curva de la aceleración, sustituyendo la curva
trapezoidal por una curva en forma de campana, por ejemplo una función sen
2
.
Con la implementación de este tipo de funciones se obtiene un doble beneficio: por un lado se reducen los
esfuerzos a los que se ve sometida la mecánica de la máquina, y por otro, gracias a la reducción de
vibraciones, se consiguen movimientos más suaves que permiten elevar el valor de la velocidad y reducir el
error.
2.5 Capacidad de almacenamiento. Ethernet
Muchos de los actuales programas generados por los paquetes CAM para el mecanizado de piezas en 3D,
ocupan varios megas de memoria debido a la necesidad de mantener el error cordal a un valor bajo.
Los actuales CNCs están, cada vez más, basados en arquitecturas PC, las cuales proporcionan discos duros
con capacidades de almacenamiento de gigas, por lo que el problema del espacio que existía antiguamente
ya no es tal. Además, la conexión a red de los CNCs proporciona todas las ventajas añadidas que supone
una conexión de este tipo en cuanto a la transmisión y utilización de cualquier tipo de información.
2.6 Interpolación polinómica. NURBS
Los NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) son entes matemáticos que definen exactamente una curva o
superfice a partir de varios puntos de control, no necesariamente pertenecientes a la trayectoria, y unos
pesos asociados a los mismos. Los pesos actúan esencialmente como la gravedad, produciendo
deformaciones en la dirección de los puntos de control. Cuanto mayor sea la complejidad de la curva, mayor
será el número de puntos de control que deberá especificarse, pero, en todo caso, el número de puntos
generados será menor que el necesario utilizando la aproximación tradicional por tramos rectos. La
reducción en el número de puntos manejado en las curvas habituales está en una proporción de entre un 30
y un 50%.
El empleo los NURBS para definir una trayectoria de mecanizado precisa evidentemente de la disponibilidad
de un CNC con interpolador polinómico, capaz de procesar la información codificada en esta forma.

19. 19
>
Ejemplos de curvas NURBS
Muchos de los paquetes de CAD existentes trabajan internamente con NURBS para la definición de curvas y
superficies. La disponibilidad de un CNC con capacidad de procesar NURBS supone la eliminación de un
paso intermedio generador de error a la hora de aproximar una trayectoria curva a una de multitud de tramos
rectos, con el consiguiente incremento de la calidad superficial, disminución de la talla del fichero de la
trayectoria, e incluso incremento de la velocidad de avance.
La reducción del volumen de datos que se obtiene con la especificación de las trayectorias mediante NURBS
tiene importancia en el caso de utilizar CNCs con baja capacidad de almacenamiento, habituales hasta
fechas recientes. Sin embargo, los CNC actuales, con gigas de memoria, y con la posibilidad de aplicar la
función look-ahead, diluyen algunas de las ventajas del uso de los NURBS.
En definitiva, si bien los NURBS son una nueva técnica que comienza a desarrollarse y que ha aportado y
puede seguir aportando una serie de ventajas, algunas de ellas ya no son tales gracias a las prestaciones de
los CNCs de última generación. Las limitaciones de la máquina en cuanto a velocidades de avance y/o
aceleraciones no están causadas por la capacidad de proceso de datos del CNC, sino por la respuesta del
sistema electromecánico.
3. CONTROLES ABIERTOS
Los fabricantes de CNC's actuales están apostando cada vez más por los denominados controles abiertos,
los cuales básicamente aprovechan la arquitectura PC para permitir al usuario implementar funciones propias,
poniendo a su alcance muchos recursos internos del control.
La utilización de la arquitectura PC y el software estándar en dichos sistemas abre enormemente las
posibilidades de los CNCs actuales. De esta manera, todo el hardware y software que ha sido desarrollado
para el entorno PC puede ahora ser utilizado directamente en los CNCs. Por tanto, la integración con
periféricos, adquisición de datos, etc. se solucionan fácilmente con sistemas comerciales de terceros
fabricantes, diferentes de los fabricantes de CNCs.
4. CONCLUSIÓN
Como principales conclusiones desde el punto de vista del control para el mecanizado de alta velocidad,
cabe destacar la necesidad de disponer de CNCs con tiempos rápidos de proceso de bloque y de ciclo de
servo que, junto con los accionamientos digitales, permitan trabajar con elevadas aceleraciones y
velocidades de los ejes. También hay que subrayar la necesidad de disponer de algoritmos de look-ahead
para obtener altas velocidades de ejecución de los programas.

20. 20
Motores lineales para Mecanizado de Alta Velocidad
1. INTRODUCCIÓN
La técnica denominada mecanizado de alta velocidad hace referencia a procesos de mecanizado en los
cuales la velocidad de corte se ha incrementado de manera notable, elevando los niveles de exigencia a gran
parte de las tecnologías implicadas en el proceso de corte.
Uno de los elementos clave es, evidentemente, la máquina herramienta, a la cual se le exige un mayor grado
de rapidez y precisión, lo que hace que los accionamientos empleados en los ejes de avance cobren una
importancia fundamental en el buen hacer de la misma.
Dependiendo de las aplicaciones, se exigen máquinas cuyas velocidades de avance superen los 100 m / min,
y más importante quizás que el valor del avance es el valor de la aceleración, sobre todo cuando se
mecanizan formas complejas, considerándose necesarios valores de al menos 1g o incluso mayores.
Hoy por hoy, la tecnología de los accionamientos en máquina herramienta está dominada por los
servomotores rotatorios usados en conjunción con una serie de componentes mecánicos de transmisión
como los husillos a bolas, los engranajes o las correas dentadas, siendo dichos componentes los que limitan
en la actualidad los valores de velocidad y aceleración alcanzables. Los motores lineales juntamente con
potentes CNCs, aparecen como una gran fuente potencial de prestaciones para máquinas herramienta de
alta velocidad.
2. ¿QUÉ ES UN MOTOR LINEAL?
La explicación habitual de lo que es un motor lineal es que se trata de un motor rotatorio “desenrollado”, es
decir, que se ha cortado por uno de sus radios y se ha estirado hasta dejarlo plano.
Hablando de un modo más preciso, un motor lineal consiste en un elemento primario, donde se encuentran
los devanados, y un elemento secundario que se extiende a lo largo de la distancia que se va a recorrer,
aportando como ventaja la posibilidad de poder disponer de varios primarios sobre un mismo secundario. Al
igual que en el caso de los motores rotatorios, pueden existir modelos síncronos y asíncronos. Junto con las
guías lineales, el sistema de medida lineal y el regulador electrónico forman el conjunto activo de
accionamiento lineal.
Integración de un motor lineal en un carro de máquina herramienta

21. 21
1. ¿Qué ofrecen los motores lineales?
Por muy fino que se hile en el proceso de sintonía de los accionamientos, el valor limitado de la rigidez junto
con la existencia de posibles holguras en la transmisión mecánica restringe el uso de husillos a bolas hasta
una longitud de unos 6m, una velocidad de unos 60 m / min, y una aceleración de hasta 1g en el mejor de los
casos. Las aplicaciones con motores lineales eliminan los elementos de transmisión mecánica, que debido a
su elasticidad, hacen que los accionamientos se comporten con una naturaleza oscilatoria, limitando la
dinámica y la ganancia del factor Kv. La transmisión de la fuerza se realiza ahora directamente por el campo
magnético. Todo ello proporciona una serie de ventajas sobre los accionamientos tradicionales basados en
transmisiones mecánicas:
• Mayores valores de velocidad, pudiendo llegar hasta 300 m/min.
• Mayores valores de aceleración, lo que es muchas veces más importante que el valor de la velocidad
máxima para reducir los tiempos de mecanizado. Los valores típicos andan en torno a 1 ó 2g, o
incluso más.
• Mayor ancho de banda del sistema de accionamiento y mayores valores del factor Kv, que dan una
idea de la rapidez y calidad de respuesta del eje. El sistema es más preciso cuando se desplaza a
altas velocidades, por lo que la calidad de la interpolación así como la velocidad y precisión en
aplicaciones de contorneado se incrementan notablemente
• Reducción de los niveles de vibración Mayores cursos sin comprometer el grado de prestaciones
La tabla muestra una pequeña comparación entre las prestaciones típicas que ofrecen los motores lineales y
los husillos a bolas
Husillo a bolas Motor lineal
Velocidad máxima 0,5 m/s 2 m/s (3 ó 4 posible)
Aceleración máxima 0,5 – 1 g 2 – 10 g
Rigidez dinámica 9 – 18 kgf/mm 6– 21 kgf/mm
Tiempo posicionado 100 ms 10 – 20ms
Fuerza máxima 26.700 N 9.000 N/bobina
Fiabilidad 6.000 – 10.000 h 50.000 h
Fuente: High Speed Machining with GE-FANUC Linear Motors. Technical brief
Por otro lado, tal y como era de esperar, no son todo virtudes. El uso de motores lineales presenta una serie
de inconvenientes. Una de las pegas de motores lineales es la necesidad de disipación del calor que se
genera, por lo que es necesario disponer se sistemas de refrigeración y/o aislamiento térmico de los
accionamientos para que puedan operar con precisión. Si los motores no se refrigeran adecuadamente, las
dilataciones térmicas conducidas al resto de elementos de la máquina pueden comprometer su nivel de
precisión y prestaciones. Todo ello incrementa el coste de las soluciones basadas en motores lineales. La no
existencia de elementos de transmisión mecánica que amortigüen los cambios de carga repentinos, o
cualquier otro tipo de perturbación mecánica, hace que esta tarea tenga que realizarla el controlador
electrónico, por lo que éste tiene que ser extremadamente rápido parta mantener la estabilidad. Es habitual
emplear técnicas de filtrado sofisticadas que evitan las resonancias mecánicas cuando los motores se
utilizan en condiciones dinámicas exigentes.

22. 22
Módulo de mecanizado basado en motores lineales, con velocidades de 100 m/min y aceleraciones de 10
m/s2
4. CONCLUSIONES
Los motores lineales eliminan los componentes mecánicos de las transmisiones utilizadas en los
accionamientos tradicionales, proporcionado un importante incremento en los niveles de velocidad,
aceleración y precisión a alta velocidad, lo cual presenta evidentes ventajas, abriéndoles un amplio campo de
aplicación y de futuro. Sin embargo, los motores lineales no sustituirán los accionamientos rotatorios de
forma inmediata. No es suficiente colocar motores lineales en diseños ya existentes, sino que es necesario
realizar un completo rediseño de la máquina herramienta para aprovechar las ventajas que ofrecen. Es
necesario seguir de cerca la evolución de esta tecnología y tenerla en cuenta a la hora de realizar nuevos
desarrollos.
La máquina-herramienta para Mecanizado de Alta Velocidad
En este capítulo se profundizará en las soluciones constructivas de las máquinas-herramienta preparadas
para aplicaciones de alta velocidad.
Este estudio se basa únicamente en los centros de mecanizado (de fresado) y no se tienen en cuenta otras
máquinas de arranque de viruta como tornos, abrasión (rectificadoras) o electroerosión. El concepto de
mecanizado de alta velocidad se ha empleado indistintamente para muchas de estas tecnologías, pero sólo
se tratarán los centros de mecanizado (fresadoras) para arranque de viruta.
Para afrontar el estudio de las soluciones constructivas de las máquinas-herramienta hay que definir primero
las necesidades funcionales de las mismas. Evidentemente estas necesidades son cualitativa y
cuantitativamente diferentes dependiendo de la aplicación de la máquina. En el caso de una máquina
diseñada para el mecanizado de moldes de inyección de plásticos, donde el acabado de las superficies
complejas de 3D es lo más importante, los conceptos de precisión (±0,002 mm), falta de vibración (<0,002
mm, pico a pico) y requerimientos de Vc (aprox. 300 m/min) serán muy diferentes a una máquina concebida
para el mecanizado en serie de piezas de aluminio o magnesio de fundición, donde lo que prima son las
aceleraciones, velocidades de posicionamiento y minimización de los tiempos de no-corte.
Se intentarán agrupar todas las necesidades en los rangos más estrictos para cualquier aplicación. En otro
capítulo se retomarán estas necesidades para máquinas concretas y aplicaciones diversas.
1. DEFINICIÓN DE LAS NECESIDADES FUNCIONALES DE LA MÁQUINA-HERRAMIENTA
En un capítulo anterior se han definido los parámetros de aplicación deseados para la máquina perfecta de
alta velocidad. Ahora queremos traducir estos parámetros en parámetros funcionales de la máquina.
Los parámetros de aplicación: velocidad de corte (Vc), cantidad de material desalojado (MRR) y avance para
diente (fz) son fácilmente relacionables con conceptos funcionales tales como velocidad de cabezal (S),

23. 23
potencia de cabezal (Ps) y avance (F). Otros como rigidez, amortiguación, precisión o estabilidad térmica, se
interrelacionan y afectan a muchos de los sistemas de la máquina-herramienta, haciéndolos algunas veces
incompatibles con los requerimientos funcionales.
1.1 Velocidad de corte (Vc) y velocidad angular del cabezal (S)
La velocidad de corte (Vc), es la velocidad tangencial del corte de la herramienta cuando el cabezal gira a las
revoluciones necesarias para arrancar la viruta. Su magnitud es de velocidad (m/min) y depende de la
velocidad angular del cabezal S, (rpm) y el diámetro de la herramienta, Øherramienta (mm). Sabemos por
capítulos anteriores que, con estas magnitudes, la velocidad de corte se calcula según la ecuación:
donde: Rmax = rugosidad máxima teórica (mm) y R = radio de la herramienta (mm)
Si los nuevos materiales del alma de la herramienta y, sobretodo, los nuevos recubrimientos permiten
mecanizar a más altas velocidades de corte, la máquina debería aumentar proporcionalmente la velocidad
angular de su cabezal.
La velocidad angular máxima del cabezal de la máquina-herramienta depende de un parámetro básico de
diseño. La Vc depende, aparte del tipo de herramienta, de su diámetro y del material que se está
mecanizando y, por tanto, de la aplicación a la que esté destinada la máquina.
Así pues, para materiales ligeros como el aluminio o el magnesio las velocidades de corte que se pueden
conseguir con herramientas adecuadas llegan a 1500 m/min, mientras que para titanio es posible, con suerte,
llegar a 80 m/s. La variación es grande. Además, las herramientas con las que podemos llegar a cortar con
alta velocidad son de Ø 25 mm. (muchas de las aplicaciones aeronáuticas en aluminio) hasta a Ø 1 mm. o
incluso menores (para mecanizar directamente acero templado para moldes de inyección de plásticos).
Por tanto, y poniendo algunos de los casos más típicos, la velocidad angular máxima del cabezal tendría que
ser como se muestra en la tabla 1.
Material Vc
Herramienta
mínimo
Velocidad angular
(S)
Aeronáutica: piezas de estructuras Aluminio 1200 15 25.500
Moldes de inyección de plásticos multicavidad
de precisión
Acero DIN
1.2344
220 1 70.000
Aeronáutica: piezas estructurales Titanio 60 Ø 10 1.900
Tabla 1.- Velocidad angular máxima del cabezal
Con estos valores se comprueba que las diferencias de velocidad angular de cabezales entre diferentes
aplicaciones son evidentes. Estos valores son valores teóricos que, en la práctica, se pueden ver limitados
para la potencia necesaria en la punta de la herramienta, la vida útil del cabezal o para los avances de
mecanizado requeridos en estas velocidades angulares del cabezal. De todo esto se hablará en el apartado
2.
1.2 Avance por diente (fz) y avances de trabajo (F)
El avance por diente (fz) es la distancia que recorre la herramienta entre el corte de uno de los dientes y el
siguiente. Es decir: el avance por diente es el espesor de la viruta arrancada por la herramienta. Este valor
está limitado para la rigidez del alma de la herramienta y para la potencia que puede generar el cabezal.
La rigidez de la herramienta depende fundamentalmente de su geometría y su material constructivo, por
tanto, el valor de fz (mm) es una característica tecnológica que ha de ser informada por el fabricante de
herramientas. Así pues, fz y Vc, son las dos características tecnológicas que determinan el proceso de
arranque de viruta, y las dos las determina la herramienta y el material a cortar (recordar apartado 1.1).

24. 24
El avance por diente es directamente proporcional al avance de mecanizado (F) e inversamente proporcional
a la velocidad angular del cabezal (S) como se indica en la ecuación 3.3, donde z es el número de dientes de
la herramienta.
Con esta relación vemos que, para una fz determinada para la herramienta y con la velocidad angular del
cabezal cada vez mayor gracias a los nuevos recubrimientos, el avance de trabajo F ha de aumentar en la
misma proporción. Y prosiguiendo con los mismos ejemplos de la tabla 1, podemos generar la tabla 2 según:
Material Z
Herramienta
mínimo
Velocidad
(S)
Avance por
diente (fz)
Avance de
trabajo (F)
Aeronáutica: piezas de
estructuras
Aluminio 3 15 25.500 0,25 19.125
Moldes de inyección
plásticos
Acero DIN
1.2344
2 1 70.000 0,05 7.000
Aeronáutica: piezas
estructurales
Titanio 3 Ø 10 1.900 0,2 1.140
Tabla 2 .- Avances de trabajo y por diente
Se observa también en esta tabla, como en la Tabla 1, que la variación de resultados, en este caso de F, es
enorme. De todas maneras, el dato más interesante es que en el mecanizado de alta velocidad (de corte)
también los avances han de aumentar, y este factor es más importante que la velocidad angular del cabezal
porque afecta de forma directa la dinámica de los ejes coordenados y por tanto a la estructura de la máquina.
Es de vital importancia entender que una fresadora de alta velocidad no es una fresadora convencional de
control numérico con un cabezal de elevada velocidad de rotación.
La tabla 2 evidencia que la máquina de alta velocidad ha de ser concebida desde un inicio de forma diferente.
1.3 Volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal removal rate”) y potencia del
cabezal
El volumen de material desalojado por unidad de tiempo (MRR: “Metal removal rate”) se mide en cm3/min. y
tiene relación directa con la potencia que necesita el cabezal para arrancar este material según la ecuación:
Ecuación 1
donde: Ps = potencia necesaria en la punta del cabezal
MRp = constante que define la cantidad de material desalojado por unidad de potencia (cm
3
/min./Kw).
El factor MRp depende de la geometría, el estado de la herramienta y del material. Siguiendo con los
ejemplos del apartado anterior se obtienen las cantidades MRR desalojadas en el proceso y la potencia
necesaria en el cabezal:
Material Avance de trabajo (F) Ae Ap MRR MRp Ps
Aeronáutica: piezas estructuras Aluminio 19.125 15 15 4303 71,4 60,2
Moldes inyección plástico Acero DIN 1.2344 7.000 0,4 0,04 0,112 14,7 0,008
Aeronáutica: piezas estructurales Titanio 1.140 6 5 34,2 20 1,8
Tabla 3.- Cantidades desalojadas y potencia necesaria para ello
De nuevo se observa que las potencias necesarias en la punta del cabezal difieren mucho entre las distintas
aplicaciones.

25. 25
1.4 Relación de tiempo de corte y tiempo de no-corte
Uno de los objetivos del mecanizado de alta velocidad es, evidentemente, la reducción del tiempo del
proceso de mecanizado. Hasta ahora se ha visto el mismo proceso tecnológico, pero en el proceso total de
fabricación de una pieza intervienen otros tiempos donde la máquina no “elimina material”, que pueden ser
denominados tiempo de no-corte (del inglés: “non-cutting time”). Este incluye los tiempos de carga y
descarga de pieza, cambio de herramienta, posicionamiento en vacío de los ejes y aceleración y
desaceleración del cabezal.
Todos estos factores son más importantes cuanto menores sean los tiempos de mecanizado. Esta relación
de “tiempo de corte”/”tiempo de no-corte” determina la urgencia de reducir o no los tiempos de no-corte en
una máquina.
Por ejemplo, en un molde donde el tiempo de mecanizado de una pieza mediana (ie: carcasa de un teléfono)
es de 20 o 30 horas, los tiempos perdidos por carga y centrado de pieza (15 min.), cambios de herramienta,
etc., son prácticamente despreciables y por tanto no serán valores muy importantes. En cambio, en el
mecanizado de una pieza de pre-fundición de aluminio donde los espesores de materiales a desalojar son
muy pequeños y la cantidad de herramientas es grande para la especialización de las mismas, los tiempos
sumados de no-corte pueden llegar al 40 o 50% del tiempo total de proceso. En este caso, por tanto, la
reducción de los tiempos de no-corte se hace tan necesaria como la reducción del tiempo de mecanizado.
En este sentido, los centros de mecanizado de alta velocidad dedicados a la producción de piezas en serie
tienen en cuenta las siguientes características.
1.4.1 Aceleración / desaceleración del cabezal
Tan importante es poder girar a, por ejemplo, 15.000 rpm, como llegar lo más rápidamente posible.
Las operaciones de agujerear en aluminio pueden suponer a menudo sólo 2 o 3 segundos si se utilizan
condiciones de alta velocidad (S=15.000 rpm, F=1.000 mm/min). Si acelerar a la velocidad angular de trabajo
supusiera 10 segundos, por mucho que se mecanizase en alta velocidad el rendimiento del proceso sería
extremadamente pobre. En el apartado 2 se verá que este factor afectará a menudo el diseño del tamaño de
los rodamientos del cabezal.
1.4.2 Tiempo de cambio de herramienta
En los procesos de mecanizado de las piezas de alta producción ésta es la acción que más hace aumentar el
tiempo de no-corte. Por este motivo, los fabricantes de máquinas-herramienta han desarrollado sistemas de
muchos tipos para reducirlo.
En algunos diseños de máquina el cambio de herramienta determina hasta la configuración de los ejes, y se
sacrifican otros factores importantes del mecanizado con el fin de minimizar este tiempo de ineficacia. En el
apartado 2 se profundiza sobre las soluciones propuestas.
1.4.3 Avance en rápido y aceleraciones / desaceleraciones de los ejes
Estos dos factores son los responsables de aumentar o disminuir los tiempos de posicionamiento. En las
piezas donde hay muchos procesos de agujereado, roscado, etc., los tiempos de posicionamiento son muy
importantes. Los avances en rápido no son los únicos responsables de minimizar estos tiempos.
Las piezas de producción son a menudo de dimensiones reducidas, y los posicionamientos de operación a
operación son de menos de 100mm. Si la velocidad máxima de la máquina es de 50 m/min. pero se
necesitan 400 mm. para conseguir esta velocidad, la solución es inválida. Por tanto las aceleraciones son
muy importantes y, por ello, a menudo los datos son dados en tiempos requeridos para posicionamientos de
ciertas dimensiones.
La necesidad de grandes velocidades y aceleraciones influye de forma vital en el diseño de los sistemas de
accionamiento, guías, y estructura de la máquina para conseguir dinámicas muy interesantes. Pensamos que
en las máquinas de producción se puede hablar de velocidades superiores a los 50 m/min. y aceleraciones
superiores a 1G.

26. 26
Otra consideración tiene los ejes rotativos que están a menudo aparte de los tiempos de posicionamiento, y
requieren tiempos de enclavamiento o frenado del eje para poder soportar las cargas debidas al mecanizado.
Muchas piezas de éstas son tan importantes como las de posicionamiento de los ejes coordinados.
1.4.4 Tiempo de cambio de palet
En las máquinas de producción los tiempos de preparación de piezas se minimizan utilizando cambios de
palet (o tabla) para poder hacer la preparación de las piezas en paralelo al mecanizado en una estación
externa. Entonces el único tiempo que provoca no-deficiencia es el tiempo de cambio de palet. Este tiempo
depende evidentemente de la carga del palet, pero por lo general es de segundos.
1.5 Estabilidad térmica
Hasta ahora se han comentado características tecnológicas que afectan directamente a alguno de los
elementos de la máquina-herramienta: la Vc, la velocidad angular del cabezal, el fz, los avances de trabajo de
la máquina, etc. Pero todos estos elementos tienen en común intentar reducir el tiempo de proceso o
minimizar los tiempos de no-corte, y por tanto se necesita además potencia en los sistemas de
accionamientos.
Desgraciadamente esta potencia extra también provoca cantidad de calor extra que puede provocar
reducciones en la vida de los elementos mecánicos, así como falta de precisión. Por ello es de vital
importancia extraer el calor generado en las máquinas de alta velocidad.
Evidentemente cada día se construyen sistemas más eficientes donde las pérdidas de calor se minimizan,
pero estos avances afectan más a los sistemas electrónicos que a los mecánicos, donde la fricción y las
fuerzas de inercia siempre suponen generación calorífica.
Se verá en los siguientes apartados que la generación de calor afecta a todos los sistemas mecánicos.
1.5.1 Cabezal
En el apartado 1.1 se ha visto que para conseguir mayores velocidades de corte es necesario aumentar la
velocidad de angular de los cabezales. Esto afecta ante todo al motor de accionamiento del cabezal -que
tendrá también que girar a más revoluciones - o al sistema de transmisión, que tendrá que multiplicar aún
más las revoluciones del motor - afrontando graves problemas de equilibrado y vibraciones.
También afecta directamente a la composición, naturaleza y tamaño de los rodamientos del propio cabezal
que deberán ser dimensionados de acuerdo con las velocidades exigidas, sin olvidar el trabajo que deben
desarrollar y por tanto su rigidez. La rigidez mecánica de los rodamientos es proporcional a su diámetro, pero
un diámetro mayor también provoca una mayor fuerza centrífuga y generación de calor, reduciendo así la
vida de los rodamientos.
Fabricar cabezales de gran velocidad con rigidez suficiente para el proceso de mecanizado y una vida útil
razonable supone un compromiso de diseño, que comprometerá, en muchos casos, la necesidad de
refrigeración de los rodamientos con sistemas complejos.
Aparte del problema mecánico, la generación de calor hacia el cabezal afecta directamente a la precisión del
eje Z de la máquina. Inexorablemente, el calentamiento del cabezal compromete el alargamiento del mismo.
El intento de control de este alargamiento es vital en procesos de mecanizado donde buscamos precisiones
en el eje Z de menos de 0,010 mm. (como en moldes de inyección de plástico de precisión) y supone uno de
los campos de estudio más importante para los ingenieros de diseño de la máquina-herramienta.
1.5.2 Sistema de accionamientos
El sistema de accionamientos resulta también afectado para la generación de calor. Para conseguir
velocidades más altas se aumentará el paso del husillo de bolas, requiriendo a la vez una potencia superior
del motor. Este entonces genera más calor de lo normal (aunque los servomotores sin escobillas tienen
eficiencias muy elevadas) que se pueden transmitir al husillo de bolas y a la estructura de la máquina.

27. 27
Pero el elemento más crítico es el husillo de bolas. Este se calienta por el calor generado en la hembra
aunque se trate básicamente de un proceso de rodadura entre las bolas y las pistas del husillo de bolas y
hembra. Este calor provoca inmediatamente alargamientos del husillo de bolas afectando su vida y la
precisión dimensional de la máquina.
1.5.3 Estructura
La estructura es un elemento estático, pero también puede recibir calor procedente de diversas fuentes. Una
de ellas es el calor generado en los accionamientos o en el cabezal que puede transmitirse por conducción a
la estructura, por lo que tendremos que aislarla. Otras fuentes importantes de calor pueden ser las externas,
como la temperatura ambiente o los rayos solares.
Estos factores no se tienen a menudo en cuenta, pero pueden afectar tanto a la precisión como a las fuentes
internas de la máquina.
Por último, la estructura puede recibir una cantidad de calor para el mismo proceso de corte. El mecanizado
de alta velocidad basa la protección de la herramienta en que parte del calor generado en el corte se lo lleve
la viruta. Además muchas veces el corte se ha de hacer con emulsiones refrigerantes que se llevan también
gran cantidad de calor. Las dos, las virutas y la taladrina entran, si no lo evitamos en contacto directo con la
parte de la estructura de la máquina que configura el área de trabajo, transmitiendo también el calor recibido
para conducción.
1.6 Rigidez – amortiguación
La rigidez es la resistencia de un cuerpo a la deformación sobre una carga. Podemos hablar de rigidez
estática si el cuerpo recibe la carga constante y de rigidez dinámica si la naturaleza de la carga se frecuencia.
En una máquina-herramienta se encuentran cargadas los dos tipos y por tanto los elementos constructivos
de la misma han de tener en cuenta las dos.
Las cargas constantes son fundamentalmente la misma estructura y el peso de la pieza a mecanizar y
sistemas de utillajes. También en menor medida (generalmente) el peso de la herramienta. Las proporciones
de diseño de las partes estáticas y móviles de la estructura han de asegurar una alta rigidez pero, además,
tienen que poder dar una buena respuesta dinámica.
Las cargas dinámicas son las debidas principalmente al proceso de corte. Pensamos que a las máquinas de
alta velocidad las revoluciones del cabezal pueden, como hemos visto anteriormente, llegar a 40.000 rpm lo
que supone, teniendo en cuenta que una herramienta integral tiene habitualmente 2 labios, una frecuencia
de:
f = (40.000/60)·2 = 1333 Hz.
Es importante a la hora de diseñar las características estructurales de una máquina alejar lo más posible la
frecuencia natural de las frecuencias de trabajo, con el fin de evitar vibraciones excesivas que, comportan a
menudo, roturas de herramienta y acabados superficiales muy pobres.
La amortiguación es la capacidad de un sistema de absorber vibraciones. Esta absorción de vibraciones se
hace mediante fuerzas de fregamiento. Estas fuerzas pueden ser fuerzas de fregamiento seco (o Coulomb)
entre dos sólidos del sistema, fuerzas de fregamiento de un cuerpo en un fluido o fuerzas producidas para el
fregamiento interno entre las moléculas de un cuerpo que se deforma (elasticidad).
En una máquina-herramienta es la absorción de energía vibratoria la que produce mayoritariamente las
deformaciones de la estructura y de los elementos de la cadena de accionamiento. Los materiales se
deforman, los husillos de bolas pueden colgar y las guías aumentan y disminuyen la precarga. La
amortiguación es, en principio, contraria a la rigidez, y esto hace que los parámetros de diseño de los
elementos constructivos siempre deban soportar el compromiso entre rigidez y amortiguación.
Vale la pena profundizar un poco más en las consecuencias físicas de esta dicotomía. Si simplificamos a 1
variable y en 1 elemento toda la estructura de la máquina, podemos considerar que la rigidez de toda la
cadena de elementos se puede modelar en un molde de constante de rigidez “k” donde:

28. 28
Ecuación 2
Por otro lado, la suma de los elementos amortiguadores de las vibraciones podemos modelarlos como un
fregamiento viscoso con constante de amortiguación “c” donde:
Ecuación 3
La propia masa de la estructura responde a la ecuación:
Ecuación 4
Y finalmente la acción de la herramienta se puede modelar como una fuerza periódica de la forma:
Ecuación 5
De esta manera la ecuación dinámica del sistema es:
Ecuación 6
La solución general de esta ecuación diferencial se obtiene sumando su solución particular con la solución
general de la ecuación homogénea.
Esta última modela la respuesta a un único impulso de vibración. Tiene tres soluciones dependiendo si el
valor de la constante de amortiguación es mayor, igual o menor a una constante llamada coeficiente crítico
de amortiguación “cc”.
Ecuación 7
donde p es la frecuencia angular de la vibración no amortiguada (o sea la frecuencia en el caso que c fuese
0) también llamada frecuencia natural del sistema. Esta frecuencia depende nada más de m y k y es por
tanto una característica propia del sistema.
Así pues:
1. Si c>cc se produce lo que se denomina sobre amortiguación, y la solución general es:
Ecuación 8
donde λ1 y λ2 son soluciones reales de la ecuación homogénea. La solución corresponde a un movimiento no
vibratorio, donde el sistema vuelve a su estado después de un tiempo.
2. Si c=cc se produce la amortiguación crítica y la solución general es:
Ecuación 9
Esta solución tampoco es vibratoria y hace volver al sistema a su estado inicial en el mínimo tiempo posible.

29. 29
3. Si c<cc la solución es una ecuación del tipo:
Ecuación 10
donde:
Ecuación 11
que es la frecuencia angular de la vibración amortiguada. Nótese que siempre, cuando c>0, q es más grande
que la frecuencia de la vibración no amortiguada. Y donde c/cc se conoce como factor de amortiguación. Esta
solución representa un movimiento vibratorio con amplitud decreciente que se amortigua más deprisa cuanto
más parecido sea c a cc y que el extremo no se amortiguara si c fuese 0 (movimiento vibratorio).
Fig. 1.- Amortiguación
La solución particular, por su parte, es de la forma:
Ecuación 12
donde:
Ecuación 13
y:

30. 30
Ecuación 14
La relación xm / Fm/k se llama factor de amplificación, y se expresa en relación a 2 factores:
• ω/p, que representa la relación entre la frecuencia de la fuerza aplicada (en este caso la
frecuencia del esfuerzo de corte) y la frecuencia natural del sistema
• c/cc, que ya ha sido denominado llamado factor de amortiguación
Dibujando un gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc (figura 2) se observa que si ω=p la
máquina entra en resonancia. Esta situación es totalmente indeseable para las fuertes vibraciones que
producen roturas de herramientas y acabados superficiales muy degenerados.
Fig. 2.- Gráfico del factor de amplificación en relación a ω/p y c/cc
Para evitar este efecto podemos:
• Aumentar el factor de amortiguación c acercándolo a cc para reducir el efecto de
amplificación.
• Diseñar la máquina para que la frecuencia natural p se aleje de las frecuencias de trabajo.
Notamos que la frecuencia natural p aumenta con la rigidez y disminuye con el peso. Estos
dos factores serán claves para el diseño de las máquinas y de las frecuencias naturales.
Este análisis es mucho más complejo en la realidad. Existen múltiples frecuencias naturales para cada
sistema también en diferentes direcciones. En general, las frecuencias naturales se comprueban
experimentalmente después de fabricar la máquina.
Lo más importante es darse cuenta de que hay que equilibrar la rigidez y la amortiguación de la máquina con
el fin de conseguir máquinas precisas y con buena respuesta que, además amortigüen, las vibraciones de
corte.
2 ESTUDIO DE LAS CARACTERÍSTICAS CONSTRUCTIVAS DE LA MÁQUINA-HERRAMIENTA
Sabiendo lo que se necesita para tener una máquina de alta velocidad. En este capítulo se intenta explicar
que formas se puede conseguir.
Este apartado limitará al estudio de los centros de mecanizado, tanto verticales como horizontales de 3 ejes.

31. 31
2.1 Materiales de construcción
Básicamente las estructuras y elementos de las máquinas se han hecho siempre de fundición gris, con todas
sus variantes de composición y por tanto de calidad. Hoy en día existen los materiales polímeros que
mejoran algunas características de la fundición.
Para producciones reducidas, se utilizan estructuras soldadas que eventualmente se pueden llenar de
hormigón y algunos elementos de la máquina pueden estar hechos con materiales como el aluminio para
disminuir el peso y mejorar así la respuesta dinámica. Intentamos en este apartado analizar las ventajas y los
inconvenientes de todas estas soluciones.
2.1.1 Fundición
La fundición gris es el material más utilizado en la construcción de estructuras y elementos de las máquinas
herramienta. De las diferentes composiciones la más utilizada es la meehanita.
La fundición ofrece la posibilidad de conformar el material mediante unas estructuras de madera que imitan
la forma final del elemento de fundición en una caja. Estas se llenan de arena que se compacta formando lo
que será el molde de la fundición. Se extraen entonces las maderas interiores y se llena de la fundición. Una
vez la fundición se solidifica se abre la caja y se deshace la arena vibrando el conjunto y limpiando la
superficie.
La fundición entonces pasa a una fase de estabilización necesaria para que una vez el elemento de la
estructura esté montado su deformación sea mínima. Esta fase de estabilización es muy importante en
cuanto más precisión necesita la máquina.
La empresa americana Moore, líder en fabricación de rectificadores en coordenadas de alta precisión, hace
descansar las estructuras de fundición más de un año al aire libre para estabilizarlas. Además mantiene una
política de recuperación de las estructuras con sus clientes que le hace fabricar nuevas máquinas con
tecnología de control numérico y electrónica de última generación aprovechando la estructura de una
máquina con 10, 15 o 20 años. Después de todo este tiempo la estabilidad de la estructura está más
asegurada.
Los elementos de fundición son posteriormente mecanizado s para conformar las zonas de unión entre los
diferentes elementos estructurales y entre los elementos estructurales y los accionamientos. La
maquinabilidad de la fundición hace fáciles estas operaciones.
2.1.2 Estructuras soldadas
La solución de la fundición es demasiado cara para la construcción de máquinas especiales de más baja
producción para la amortización de los moldes de fundición. En estos casos se elige una solución
constructiva a base de elementos de acero soldados. El diseño y fabricación de las estructuras se transforma
entonces en simple y flexible.
Estos tipos de estructuras tienen inconvenientes que las hacen inviables en máquinas de precisión. La
estabilidad y predicción de los elementos soldados bajo cargas mecánicas y térmicas son difíciles debido a la
presencia de las soldaduras. Estas son de difícil ejecución y los elementos son, en consecuencia,
heterogéneos. Todo esto hace que las flexiones y torsiones mecánicas o térmicas sean muy superiores a las
de la fundición.
Además, la amortiguación a las vibraciones de estas estructuras es muy pequeña por estar constituida,
fundamentalmente, por elementos de acero. Esto limita la aplicación de estas estructuras en procesos de
desbaste, donde las vibraciones producidas por la herramienta necesitan ser amortiguadas para asegurar la
estabilidad del proceso.
Una solución parcial al problema de la baja amortiguación es llenar las estructuras de acero soldado con
hormigón. Esto le da capacidad de amortiguación. Es importante mantener siempre el contacto entre el acero
y el hormigón para no perder capacidad de amortiguación. Se utilizan en estos casos aceros con relieve (al
estilo de las barras de construcción para el hormigón armado) y se intenta vibrar el hormigón para que llene
perfectamente todo los volúmenes, aumentando así la zona de contacto acero-hormigón.

32. 32
En esta solución la estabilidad térmica es fundamental, por el hecho de que el acero y el hormigón tienen
coeficientes de expansión térmica diferentes y, por tanto, a diferentes temperaturas la absorción de
vibraciones puede ser también distinta.
2.1.3 Materiales políméricos
Como alternativa se pueden utilizar los materiales políméricos.
Éstos han sido utilizados desde hace años en alguno de los elementos de la máquina-herramienta. La
ventaja fundamental respecto a la fundición es su capacidad de absorción de vibraciones, que es unas 10
veces superior. A continuación se presenta un gráfico que compara esta característica en la fundición y en un
material bastante novedoso denominado “Metalquartz”:
Figs. 3 y 4.- Absorción de las vibraciones de la fundición (izquierda) y del “Metalquartz” (derecha)
Esta característica hace que este material sea ideal para bases o bancadas de máquina. Sus características
elásticas y resistentes no lo hacen, pero no es aconsejable para la construcción de elementos sometidos a
altas cargas de compresión, tracción y flexión. A continuación se presenta una tabla con las propiedades
mecánicas de este material comparado con las de la fundición gris.
Propiedades Fundición gris Polímero
Módulo de elasticidad E (kg/mm2) 12.600 4.200
Resistencia a la tracción (kg/mm2) 35 2,5
Resistencia a la compresión (kg/mm2) 105 13
Coeficiente de dilatación térmica (µm/ºCm) 12 12,1
Conductividad térmica (W/ºCm) 2.286 160
Densidad (g/cm3) 7,2 2,3
Amortiguación Normal Muy alto
Maquinabilidad Normal Baja
Tabla 4.- Propiedades mecánicas del Metalquartz comparadas con las de la fundición gris
Véase que, en elementos con esfuerzos, la fundición sigue siendo el material con más garantías.
Hay que destacar el coeficiente térmico de expansión, ya que en los materiales políméricos es prácticamente
idéntico al de la fundición. Esta característica evita problemas mecánicos y de precisión en las uniones
fundición-polímero, lo que hace a los materiales políméricos ideales para ser combinados con la fundición y
dar así más capacidad de absorción de vibraciones al conjunto del sistema. En la figura 5 se muestra un
ejemplo de una base de una máquina hecha con polímero.

33. 33
Fig. 5.- Base de una máquina tipo puente construida con material polimérico
2.2 Estructura
La estructura de una máquina sirve para otorgarle rigidez y amortiguación a las vibraciones, a la vez que
condiciona la precisión y la estabilidad térmica. Además ha de facilitar la carga y descarga de la pieza, en
aras de la ergonomía para el operador.
2.2.1 Parámetros de diseño
Las máquinas-herramienta de alta velocidad, como ya se ha indicado, requieren de una gran rigidez y una
elevada respuesta dinámica.
La rigidez es función de los materiales utilizados en la construcción, de la estructura interna o de los
enervados de los elementos constructivos y de las dimensiones de los carros.
De los materiales de construcción se ha hablado anteriormente. Suponiendo el material de fundición gris, la
estructura interna de los elementos constructivos se caracteriza por la gran cantidad de nervios que lo
conforman, con el fin de otorgarle rigidez interna minimizando el peso, siempre importante para la respuesta
dinámica, y el por precio/kg. de la fundición. Estas estructuras enervadas se diseñan con la ayuda de
métodos de elementos finitos.
Fig. 6.- Resultado del diseño FEM de la base de una máquina
En las dimensiones de diseño es importante evitar al máximo los voladizos, con las dimensiones máximas de
guía, y las mínimas distancias entre los husillos de bolas de los accionamientos y la herramienta de trabajo.
Los problemas de rigidez más importantes en una máquina-herramienta son debidos a los esfuerzos de
flexión o torsión, más que a los de compresión o tracción.

34. 34
En un voladizo, una de las unidireccionales rígidas es proporcional a:
Ecuación 15
donde L es la dimensión del voladizo o, en el caso de la estructura, lleva cabezal de un centro de
mecanizado tipo C, la distancia entre las guías del eje Z y el eje del cabezal, y A es la anchura entre las
guías. Análogamente para las demás dimensiones:
Ecuación 16
Ecuación 17
donde H es la dimensión de la zona guiada. Estas consideraciones se pueden comprobar en la figura 7.
Fig. 7.- Carro porta-cabezal de un centro de mecanizado tipo C
Nótese por tanto que, para hacer la estructura más rígida, es preciso minimizar L y maximizar H y A. Estas
consideraciones se pueden hacer sobre todos los demás elementos estructurales de la máquina, con los
mismos resultados pero diferentes conceptos.
2.2.2 Guías
Los componentes de guía son fundamentales en la dicotomía rigidez-amortiguación de una máquina.
Las guías son el único elemento de discontinuidad en el sistema estructural de la máquina y, por tanto,
suponen uno de los puntos débiles en la rigidez total del sistema. Por otro lado, esta discontinuidad puede
dotar al sistema de una capacidad de absorción de las vibraciones importante. El sistema de guías determina,
en parte, las aplicaciones de la máquina-herramienta.
Básicamente, las guías pueden ser de tres tipos: guías de fricción hidrodinámicas, guías de rodadura y guías
de fricción hidrostáticas.

35. 35
2.2.2.1 Guías de fricción hidrodinámicas
Las guías de fricción hidrodinámicas eran las únicas guías comúnmente utilizadas hasta hace 10 años. Se
trata de dos superficies planas o inclinadas, rectificadas y tratadas térmicamente para aumentar la dureza
superficial, que incorporan una película intermedia de aceite para mejorar el deslizamiento. Las superficies
pueden ser rasqueteadas dependiendo de la precisión geométrica requerida, y una de las superficies lleva un
recubrimiento de “Turcite” para disminuir el deslizamiento y mecanizar los conductos de aceite (figura 8).
Fig. 8.- Proceso de rasqueteo en una guía con Turcite
Estas guías se ajustan mediante planos inclinados que acercan o separan las superficies. Con el desgaste
estos planos inclinados pueden reajustarse, pero las guías hidrodinámicas tienen una vida limitada a 10-12
años, después de los cuales se tendrían que volver a rasquetear las superficies.
Estas guías presentan una buena absorción de las vibraciones para la película de aceite, y el coeficiente de
amortiguación es proporcional a la superficie de contacto. Esta característica las hace ideales para
aplicaciones de gran esfuerzo y corte interrumpido, y en aplicaciones donde el acabado superficial es crítico.
Un buen ejemplo seria la máquina de la figura 9, que se utiliza básicamente para hacer grandes esfuerzos de
corte.
Fig. 9.- Estructura de un centro de mecanizado vertical tipo C utilizado para hacer grandes desbastes
Se presentan algunos problemas con estas guías. El cizallamiento del aceite produce resistencia al
movimiento, por lo que es necesario un motor más grande que con otros sistemas para conseguir las mismas
aceleraciones y movimientos en rápido.

36. 36
Además, se produce un efecto de “stick-slip” debido a la diferencia de valor del coeficiente estático y
dinámico de fricción. Cuando la máquina se para, el espesor de aceite disminuye aumentando la fricción del
sistema. Este efecto es muy perjudicial para los servosistemas cuando se producen constantes cambios de
sentido en los ejes, ya que se presenta una resistencia diferente al movimiento cuando el eje justo empieza a
moverse y después de comenzar. De aquí el nombre de “stick-slip” o pegar-deslizar. Este efecto no favorece,
en principio, a las máquinas que deben describir trayectorias de 3D de grandes precisiones.
2.2.2.2 Guías de rodadura
Las guías de rodadura se basan en el mismo concepto de un rodamiento de bolas. El elemento fijo monta
unas guías rectificadas con unas superficies donde ruedan las bolas o cilindros, que dan vueltas a un circuito
contenido en un bloque precargado y que se fija al elemento móvil de la máquina. Para cada guía se monta
un mínimo de dos bloques. Cuanto más largo sea el elemento móvil, más bloques habrá que montar. Estas
guías no necesitan ajuste, y su vida es presumiblemente mayor que la de las guías hidrodinámicas, si bien
no se dispone todavía de valores estadísticos suficientes para asegurarlo.
Figs. 10 y 11.- Sección de una guía de rodadura con cilindros de la marca IKO (izquierda) y una guía de
rodadura de bolas montada al carro de una máquina horizontal de la marca THK (derecha)
Las guías de rodadura presentan una mayor rigidez que las guías hidrodinámicas del mismo tamaño, pero la
capacidad de absorción de las vibraciones es mucho más pobre. El coeficiente de fricción es mucho más
bajo y, se pueden conseguir respuestas dinámicas más cortas y mejores precisiones en trayectorias de 3D.
Estas guías son hoy en día la solución casi exclusiva a las máquinas de producción que requieren
aceleraciones y velocidades muy elevadas para reducir los tiempos de posicionamiento. Como ejemplo se
muestra el centro de mecanizado vertical de la fotografía siguiente. Este centro tiene movimientos en rápido
de 40 m/min, y está destinado básicamente a la producción de pequeñas piezas de aluminio prefundido.
Fig. 12.- Estructura de un centro de mecanizado tipo C destinado a la producción de piezas. Todas las guías
son de rodadura

37. 37
2.3 Ejes
La cadena cinemática de los ejes está formada por el soporte del motor, la unión motor-husillo, los
rodamientos de soporte del husillo a bolas, el mismo husillo de bolas y la unión con el carro del eje. Este
sistema determina la respuesta dinámica de la máquina y la precisión de posicionamiento, junto al
servomotor de mando y el sistema de captación de posición.
2.3.1
Las uniones del motor con los husillos a bolas son importantes, porque son las primeras en transmitir el par
del motor. Las uniones pueden ser básicamente directas o indirectas.
2.3.1.1 Uniones indirectas
Las uniones indirectas incorporan un sistema polea-correa-polea entre el motor y el husillo a bolas. Esta
solución se adopta básicamente para problemas de espacio en el montaje del motor o bien para multiplicar el
par o la velocidad de salida del motor con una proporción reductora o multiplicadora respectivamente.
Esta solución no es recomendable en una máquina de alta velocidad, porque la transmisión a correa rebaja
la rigidez del sistema debido a la elasticidad de la correa y, especialmente, a frecuencias de trabajo altas.
Además también afecta a la precisión del eje, si bien el error cometido depende mucho del montaje del
sistema de medida, como ya sabemos de un capítulo anterior.
La ventaja más importante de estos montajes es el aislamiento térmico del motor, cosa que evita evacuar
con tanta urgencia el calor que genera.
2.3.1.2 Uniones directas
Las uniones directas consisten en una unión doble que fija los extremos del husillo y del eje del motor. Estas
uniones pueden tener diferentes grados de rigidez.
Las uniones más rígidas son simplemente una pieza sólida de acero. Éstas proporcionan mucha precisión,
pero obligan a un montaje muy preciso porque no absorben ninguna desalineación de los ejes motor y husillo.
Esta desalineación crea un esfuerzo cíclico, que puede producir la rotura de alguno de los ejes por fatiga.
Para evitar estos problemas se utilizan unas uniones que proporcionan cierta flexibilidad radial y axial, pero
en cambio tienen mucha rigidez torsional. Éstas son, sin duda, las más utilizadas en las máquinas de alta
velocidad.
Fig. 13.- Zona de unión del eje
2.3.2 Husillo de bolas
Los husillos de bolas son los encargados de convertir el movimiento rotativo del motor en movimiento lineal
de la hembra del husillo. En la rosca se rectifican las superficies de contacto de las bolas que corren por la
hembra. Ésta suele ser doble con moldes intermedios que compensan la holgura con las pistas del husillo.

38. 38
El paso del husillo es un elemento básico de diseño que determinará el par necesaria para mover
determinada carga y la velocidad máxima lineal, dada una velocidad máxima angular del motor. La aplicación
de la máquina influirá entonces en la determinación de este parámetro.
La precisión del rectificado del husillo puede influir en la precisión del eje, especialmente si se utilizan
sistemas de medida rotativos. Esta precisión se especifica con el grado C del husillo.
La rigidez del husillo de bolas es determinada por su geometría (diámetro, longitud) pero también por el
sistema de fijación del husillo en sus extremos. La rigidez es proporcional a:
Ecuación 18
Donde E es el módulo de elasticidad del acero, I la inercia del husillo (=πØ2/64), L su longitud y α un factor
que depende del sistema de fijación del husillo.
Básicamente uno de los extremos del husillo puede estar:
• Libre: o sin ningún soporte.
• Soportado: con un rodamiento radial que lo fija radialmente pero lo deja libre axialmente.
• Fijo: con un juego de 2 o más rodamientos angulares en oposición que lo fijan radial y
axialmente.
En general, las soluciones a las máquinas de alta velocidad son extremos fijo-soportado o fijo-fijo (extremo
del motor en primer plano). El factor α para estas soluciones es 2 y 4. La solución fijo - fijo es por tanto la
mejor cuando se requiere una gran rigidez.
La fórmula anterior también indica que la esbeltez (L/D) del husillo es fundamental a la hora de calcular su
rigidez. Pensemos que el diámetro no se puede aumentar indiscriminadamente, porque en los montajes
horizontales un peso excesivo hace tambalear el husillo lo que puede provocar vibraciones al sistema por la
rotación de la masa desequilibrada.
2.4 Cabezal
El cabezal es el corazón de la máquina-herramienta. El diseño de la máquina depende de la capacidad del
cabezal, o sea de la velocidad angular máxima, la potencia, y el par que necesitamos desarrollar para una
aplicación determinada. Como ya se ha visto en el apartado 1, el diseño del cabezal es un continuo
compromiso entre las características funcionales y la vida y coste del mismo.
La rigidez de un cabezal depende fundamentalmente del tamaño, precarga y tipo del rodamiento utilizado.
Por tanto hay que estudiar con detalle las opciones que ofrece el mercado con el fin de obtener el mejor
rendimiento en la aplicación sometida a estudio. Para aplicaciones de taladrado y roscado habrá que
optimizar la rigidez axial, mientras que para las operaciones de fresado es más importante la rigidez radial.
La rigidez, por tanto, es determinada por la aplicación y potencia que se desee desarrollar.
La vida del cabezal se calcula mediante el número DN. Este número tiene un valor funcional que se
determina mediante:
Ecuación 19
O sea que depende de la rigidez y de la velocidad que se desee obtener. Para que la vida de los
rodamientos sea adecuada, este número ha de ser menor al valor DNconstructivo, que se determina según el
tipo de jaula, tipos de bola, precisión y lubricación del cabezal. Por tanto:
Ecuación 20

39. 39
Por tanto, dada una aplicación y las características del rodamiento, las revoluciones máximas del cabezal
dependen fundamentalmente del tipo de lubricación de sus rodamientos.
Lo más importante de la relación DNfuncional es que ejemplariza la dicotomía entre la velocidad y la potencia
del cabezal. Veremos cómo los requerimientos de las aplicaciones son casi siempre imposibles de diseñar
con un coste razonable y, por tanto, la capacidad de la máquina está también casi siempre limitada por las
características del cabezal.
Antes de hablar de los diferentes tipos de cabezal es preciso desarrollar algunas consideraciones que
determinarán el uso de los mismos.
2.4.1 Rodamientos
Las características mecánicas de un cabezal están determinadas por las de los rodamientos.
No sólo el tamaño determina la rigidez, sino que, también, el montaje y la precarga con los que los
rodamientos sean montados. En la parte frontal del cabezal se montan en oposición uno o más pares de
rodamientos de bolas de contacto angular (normalmente 30º) precargados. Estos tendrán que situarse lo
más cerca posible de la zona de corte, dado que son los que soportan toda la carga.
En la parte de atrás, en cambio, se montan rodamientos de bolas o cilíndricos radiales, que permiten un
cierto movimiento axial cuando se alarga el rotor para el incremento de temperatura. En la figura 14 se
muestra un ejemplo de cabezal para máquina-herramienta. La transmisión de potencia se hace mediante
rueda dentada (en color verde en el gráfico).
Los materiales utilizados en la construcción del cabezal también son importantes. La solución clásica se
compone del cabezal con jaula y bolas de acero, mientras que más modernamente se montan rodamientos
híbridos que se componen de jaula de acero y bolas de nitruro de silicio. Estas nuevas bolas mejoran las
características según las siguientes características:
• Mayor módulo de elasticidad E: La deformación de las bolas bajo carga es menor que en las bolas
de acero por lo que mejoraremos la rigidez del cabezal.
• Más dureza: Las bolas de nitruro de silicio se desgastan menos, disminuyendo a la vez las
partículas de contaminación que se desprenden de su superficie y aumentando así la vida del rodamiento.
• Menor coeficiente de dilatación térmica: que estabiliza el tamaño y por tanto la precarga del
rodamiento cuando aumenta la temperatura del cabezal. Un exceso de precarga puede producir el fallo
prematuro de los rodamientos.
• Menor masa: La densidad específica del nitruro de silicio es menor que la del acero. Así disminuyen
las fuerzas centrífugas que generan las bolas contra la jaula exterior disminuyendo también la generación de
calor. Otra solución es la adopción de bolas de acero pero de tamaño más pequeño. Estas disminuyen la
rigidez total del rodamiento.
Fig. 14.- Montaje típico de un cabezal de transmisión para engranajes