Procesos de Mecanizado Industrial: Tipos, Máquinas y Funcionamiento

Introducción al Mecanizado

El mecanizado es un proceso de fabricación en el que se elimina material de una pieza para obtener la forma, dimensiones y acabado superficial requeridos. Según el mecanismo de remoción del material, se clasifica en los siguientes tipos:

1. Mecanizado por Arranque de Viruta

En este proceso, el material se elimina en forma de virutas mediante una herramienta de corte. Se utiliza para fabricar piezas con alta precisión y geometrías complejas.

Por traslación

El movimiento principal de corte es lineal, pudiendo realizarlo la herramienta o la pieza.

• Traslación de la herramienta: Comprende máquinas como sierras mecánicas, limadoras, brochadoras y mortajadoras. Se emplean para realizar cortes, mecanizar superficies planas, ranuras y chaveteros.
• Traslación de la pieza: Corresponde principalmente a las cepilladoras, donde la pieza se desplaza linealmente frente a una herramienta fija para obtener superficies planas de gran tamaño.

Por rotación

El movimiento principal de corte es circular, realizado por la herramienta o por la pieza.

• Rotación de la herramienta: Incluye taladradoras, fresadoras, punteadoras y mandrinadoras. Se utilizan para realizar agujeros, mecanizar superficies, ranuras, cavidades y ampliar orificios con gran precisión.
• Rotación de la pieza: Corresponde al torno, donde la pieza gira mientras la herramienta avanza, permitiendo fabricar ejes, cilindros, conos, roscas y superficies de revolución.

Aplicaciones: Fabricación de componentes mecánicos, piezas automotrices, moldes, matrices, engranajes y elementos de maquinaria en general.

2. Mecanizado por Arranque de Partículas (Abrasión)

En este proceso, el material se elimina mediante partículas abrasivas de elevada dureza contenidas en una muela. Se utiliza principalmente como operación de acabado, cuando se requieren tolerancias muy estrechas y excelente calidad superficial.

• Rotación de la muela y traslación de la pieza: Comprende las rectificadoras planas, utilizadas para obtener superficies planas con elevada precisión.
• Rotación de la muela y de la pieza: Incluye las rectificadoras cilíndricas, empleadas para mecanizar superficies cilíndricas exteriores e interiores con gran exactitud.
• Electroesmeriladoras: Utilizan una muela abrasiva para desbastar, afilar herramientas y realizar operaciones de acabado superficial.

Aplicaciones: Acabado de ejes, engranajes, cojinetes, herramientas de corte, moldes y piezas endurecidas donde se requiere alta precisión dimensional y bajo nivel de rugosidad superficial.

3. Mecanizados No Convencionales

Entre ellos destaca el electroerosionado.

Comparativa de Procesos de Fabricación

Pregunta: Mencionar y describir brevemente todas las máquinas con arranque de viruta y sin arranque de viruta. Dar ejemplos de procesos de fabricación con y sin arranque de viruta e indicar el principio que las diferencia.

Principio Diferenciador

La diferencia fundamental radica en la pérdida de material y la forma en que se elimina:

• Con arranque de viruta: La máquina herramienta utiliza una cuchilla o filo cortante para forzar la separación de porciones de material (virutas) de la pieza inicial hasta lograr la forma deseada. Hay desperdicio de material en forma de residuos.
• Sin arranque de viruta: El material se modifica mediante calor, presión, estiramiento o vaciado, sin necesidad de cortar o desprender virutas. El volumen del material inicial es prácticamente el mismo que el de la pieza final (el desperdicio es mínimo o nulo).

Procesos con Arranque de Viruta

En estos procesos, la herramienta y la pieza experimentan movimientos relativos (rotación o traslación) para cortar el exceso de material.

Máquinas principales:

• Torno: La pieza gira sobre su propio eje mientras una herramienta de corte de un solo filo se desplaza linealmente para dar forma cilíndrica o cónica.
• Fresadora: La pieza se fija en una mesa y una herramienta rotativa de múltiples filos (fresa) se mueve sobre ella para crear ranuras, planos o formas complejas.
• Taladradora: Diseñada específicamente para hacer agujeros cilíndricos mediante el giro y avance de una herramienta de corte llamada broca.
• Rectificadora: Utiliza un disco abrasivo (muela) que gira a alta velocidad para arrancar microvirutas, logrando acabados superficiales de alta precisión.
• Limadora / Mortajadora: Máquinas donde la herramienta (o la pieza) realiza un movimiento lineal alternativo (de vaivén) para mecanizar superficies planas o ranuras internas.
• Tronzadora / Sierra mecánica: Utiliza una hoja dentada o disco para cortar bloques de material en secciones más pequeñas.

Ejemplos de procesos:

• Torneado de un eje de transmisión: Reducir el diámetro de una barra de acero para que encaje en un rodamiento.
• Fresado de un engranaje: Cortar los dientes de una rueda dentada a partir de un disco metálico liso.
• Taladrado de una brida: Realizar los orificios de sujeción donde pasarán los pernos en una tubería.

Procesos sin Arranque de Viruta

Estas máquinas transforman la geometría del material aprovechando sus propiedades mecánicas (como la plasticidad) o su estado líquido.

Máquinas principales:

• Prensa de forja / Martinete: Aplican grandes fuerzas de compresión para deformar el metal en caliente o en frío utilizando matrices.
• Plegadora / Dobladora: Diseñadas para doblar chapas o láminas metálicas a lo largo de un eje recto mediante un punzón y una matriz.
• Laminadora: Cuenta con rodillos pesados que giran en sentidos opuestos para reducir el espesor de lingotes o planchas de metal.
• Inyectora de plástico / Fundición: Máquinas que funden el material y lo introducen a alta presión dentro de un molde cerrado.
• Extrusora: Empuja el material a través de una boquilla con una forma geométrica específica para crear perfiles continuos (tubos, barras, etc.).
• Troqueladora: Utiliza un punzón y una matriz para cortar (por cizalladura) o embutir formas en chapas metálicas sin generar virutas sueltas.

Ejemplos de procesos:

• Estampado de la carrocería de un auto: Una prensa de gran tonelaje deforma una chapa plana para darle la forma de una puerta o capó.
• Inyección de una carcasa de control remoto: Se introduce plástico fundido en un molde de acero para obtener la pieza terminada.
• Laminación de vigas IPN: Pasar bloques de acero calientes por rodillos para fabricar vigas estructurales.

Electroerosión (EDM)

Principio de Funcionamiento

El principio de funcionamiento es la erosión térmica mediante descargas eléctricas controladas (chispas).

No existe contacto mecánico entre la herramienta (electrodo) y la pieza. Ambos elementos deben ser obligatoriamente conductores de la electricidad y estar sumergidos en un líquido no conductor (fluido dieléctrico). El electrodo se aproxima a la pieza manteniendo una distancia microscópica constante llamada GAP. Se aplica un voltaje intermitente de alta frecuencia. Cuando el voltaje es suficiente, el fluido dieléctrico se ioniza y se vuelve conductor en el punto más cercano, permitiendo que salte una chispa (descarga).

La chispa genera temperaturas locales de entre 8,000 °C y 12,000 °C, lo que funde y vaporiza un punto microscópico de material de la pieza. Al interrumpirse la corriente, el canal de plasma colapsa y el fluido dieléctrico circulante enfría la zona bruscamente, arrastrando las partículas fundidas. El ciclo se repite millones de veces por segundo.

Tipos de Máquinas y Casos de Uso

1. Electroerosión por Penetración (Sinker EDM): Se utiliza para copiar formas volumétricas complejas, cavidades ciegas o grabados en materiales de alta dureza. El electrodo se fabrica con la forma geométrica exacta en "negativo". Ejemplo: Fabricar la cavidad de un molde de acero templado para inyección de plástico.
2. Electroerosión por Hilo (Wire EDM): Utiliza un hilo de latón o cobre continuo muy fino (0.1 a 0.3 mm) que actúa como una sierra de calar controlada por CNC. Solo sirve para cortes pasantes, permitiendo geometrías de precisión milimétrica. Ejemplo: Cortar ventanas con esquinas vivas en matrices de acero rápido.
3. Rectificado por Electroerosión (EDG): Combina la electroerosión con la configuración de una rectificadora. La herramienta es un disco rotativo que no toca la pieza. Ejemplo: Afilar insertos de herramientas de corte fabricados en PCD (Diamante Policristalino).

Factores a Tener en Cuenta

• Rugosidad Superficial (Ra): Depende de la energía de la chispa. Chispazos largos e intensos se usan para desbaste (mucha remoción, alta rugosidad), mientras que chispazos cortos y suaves se usan para acabado (superficies casi espejo).
• Limpieza y Lavado (Flushing): Es el factor más crítico. El fluido dieléctrico debe retirar las micropartículas del GAP para evitar cortocircuitos que dañen la pieza.
• Capa Blanca (Zona Afectada Térmicamente - ZAT): Debido al calor extremo, se forma una microcapa refundida muy dura pero frágil que a veces debe eliminarse mecánicamente.

Ventajas y Desventajas

Ventajas:

• Independiente de la dureza: Mecaniza cualquier material conductor (titanio, aceros templados).
• Sin fuerzas mecánicas: Permite mecanizar paredes ultra delgadas sin deformarlas.
• Formas complejas: Permite realizar esquinas internas vivas y cavidades profundas imposibles para una fresadora.
• Acabado excelente: Elimina las marcas típicas de las herramientas de filo.

Desventajas:

• Proceso lento: Tasa de remoción de material baja comparada con el fresado o torneado.
• Solo materiales conductores: No aplicable en plásticos, maderas o vidrios.
• Desgaste del electrodo: La herramienta también sufre erosión y pierde precisión.
• Alto costo: Elevado consumo energético y costo de maquinaria e insumos.

Propiedades del Proceso (Resumen Técnico)

• Precisión dimensional: Extremadamente alta.
• Materiales del Electrodo: Cobre electrolítico (buena conductividad) y Grafito (fácil de mecanizar).
• Fluidos Dieléctricos: Aceites minerales ligeros (penetración) y agua desionizada (hilo).