VMC: ¿Cuántos ejes necesita realmente?

May 05, 2023

El centro de mecanizado vertical (VMC) de tres ejes ha sido durante mucho tiempo la máquina herramienta de referencia para muchos talleres pequeños y medianos. Su uso es bien entendido. En comparación con maquinaria más compleja, es más fácil encontrar operadores para máquinas de tres ejes. La programación, la configuración y el mantenimiento también son más fáciles. Quizás lo mejor de todo para los talleres con problemas de liquidez es el hecho de que abundan los molinos VMC de tres ejes relativamente asequibles y de buena calidad, mucho más que sus primos horizontales y de cinco ejes.

Y, sin embargo, dada la creciente popularidad de los centros de mecanizado de cinco ejes, parece que pronto representarán el nuevo caballo de batalla en muchos talleres. Después de todo, ¿quién quiere conformarse con fresar y taladrar la parte superior de una pieza de trabajo cuando cinco ejes permiten a los fabricantes mecanizar todo menos la superficie de ubicación inferior? ¿Por qué no evitar las múltiples operaciones siempre que sea posible y la inversión en sujeción que estas conllevan? ¿Y por qué no reducir los plazos de entrega y el trabajo en curso (WIP) al tiempo que aumenta la rentabilidad?

Todas estas son excelentes preguntas. Haga los cálculos, luego agregue la mayor facilidad de uso y la caída de los costos de las máquinas herramienta de cinco ejes, y los fabricantes se quedan con otra pregunta: ¿el VMC de tres ejes sigue el camino de las máquinas de tornillo mecánico y las brocas de herramientas rectificadas a mano? Eso es poco probable.

Incluso el fanático más ferviente de los cinco ejes admitirá que las fresadoras CNC de tres ejes tienen su lugar, y aunque es posible que las dos deban compartir el mismo trono, ninguna será derrocada en el corto plazo. Uno de esos fanáticos es Michael Cope, especialista técnico de productos de Hurco Companies Inc., con sede en Indianápolis, Indianápolis, quien incluso tuvo la audacia de escribir un libro sobre el tema. "Las ventajas de los centros de mecanizado de cinco ejes son bastante obvias, y agregar uno a cualquier taller sería una gran decisión, pero las máquinas de tres ejes también tienen algunas ventajas", dijo.

Cope señaló que muchas configuraciones de máquinas de cinco ejes tienen mesas más pequeñas, generalmente "platos" redondos que limitan el tamaño de la pieza de trabajo, así como la cantidad que se puede producir en un ciclo de mecanizado. Esto también hace que el favorito de la mayoría de los departamentos de fresado, el tornillo de banco del maquinista de 6", no sea bienvenido, y mucho menos los dos o más que se encuentran en un VMC típico de 20 x 40" (508 x 1016 mm). La otra cara de esto es que la sujeción de piezas de cinco ejes ahora está fácilmente disponible, y alejarse de la mentalidad de tornillo de banco del maquinista obliga a los talleres a evaluar nuevas formas de sujetar piezas, inspirando enfoques creativos para la fijación de piezas de trabajo.

Five-axis también inspira formas más creativas y productivas de mecanizar esas piezas de trabajo. Esto es particularmente cierto para la fabricación de moldes, dijo Cope, donde la capacidad de inclinar el husillo al fresar cavidades profundas permite el uso de herramientas más cortas y cortadores de segmento circular, también conocidos como molinos de barril. Esto, a su vez, produce una configuración más rígida, con velocidades de avance más rápidas, cortes más profundos, mayor vida útil de la herramienta, menos vibración y menos problemas de acabado superficial y precisión de la pieza que surgen de las herramientas largas y delgadas que se necesitan en las fresadoras CNC de tres ejes.

Se aplican beneficios similares a quienes realizan trabajos que no son de fabricación de moldes. "Los talleres tradicionales están comenzando a alejarse de las máquinas de tres ejes, no tanto por la complejidad de las piezas sino porque necesitan aumentar la eficiencia y el rendimiento del taller", dijo Cope. "Comenzaron a darse cuenta de que una máquina de cinco ejes les permite reducir las configuraciones y aumentar potencialmente la precisión de la pieza porque se pueden mecanizar varios lados en una sola operación. Pueden reaccionar más rápido a las necesidades cambiantes de sus clientes y porque tener una máquina de cinco ejes máquina de eje les permite buscar y cotizar trabajos que de otro modo no podrían producir, aumenta el potencial de crecimiento de su taller".

Cope sostiene, sin embargo, que el mayor costo inicial de un VMC de cinco ejes es un factor decisivo para muchos talleres más pequeños o para aquellos que recién comienzan. Agregue a eso el hecho de que algunas partes simplemente no caben en la mesa más pequeña de una máquina de cinco ejes, o que no tiene sentido usar una para el trabajo simple de "perforar un par de agujeros" y operaciones secundarias, y lleva a una conclusión ineludible: los VMC tradicionales de tres ejes no desaparecerán pronto.

Mike Kerscher, especialista técnico y de aplicaciones de Mazak Corp., Florence, Kentucky, estuvo de acuerdo. "Los verticales de tres ejes siguen siendo el pan de cada día para la mayoría de los fabricantes, especialmente para los talleres y aquellos que mecanizan una amplia variedad de piezas", dijo. "E incluso para aplicaciones de alto volumen, a menudo tiene más sentido incluir una en una configuración celular o automatizada. Es por eso que las máquinas de cinco ejes, aunque están aumentando en popularidad, todavía son una minoría de las ventas de máquinas herramienta".

Gran parte de esto se debe a la mayor familiaridad de la industria con las fresadoras de tres ejes, añadió Kerscher. Para aquellos de nosotros que comenzamos nuestras carreras de mecanizado haciendo girar los mangos de una fresadora manual de rodillas, el salto a su contraparte CNC es fácil. "Son más fáciles de programar y operar, algo que es muy importante dada la actual escasez de mano de obra calificada", dijo. "Puede mirar un dibujo y visualizar cómo se asentará la pieza sobre la mesa, con el eje Z moviéndose hacia arriba y hacia abajo y el cortador dando vueltas y vueltas sobre la pieza de trabajo. Este factor por sí solo hace que sea más fácil trabajar en [una máquina de tres ejes]".

Compare ese escenario con el mecanizado de cinco ejes, donde el operador se enfrenta a dos ejes rotativos y tres lineales. Aquí, una falta de coincidencia entre dos orificios que se cruzan, una posición real que está ligeramente fuera de lugar y dos superficies perpendiculares que no son del todo cuadradas pueden ser eventos desconcertantes que solo un maquinista, programador o técnico de servicio capacitado puede solucionar.

"Alguien que configure una vertical de tres ejes podría usar un buscador de bordes o un meneador para seleccionar la ubicación de una pieza de trabajo", dijo Kerscher. "En una máquina de cinco ejes, lo más probable es que necesiten una sonda de contacto y muy posiblemente uno de esos dispositivos de bola esférica de Renishaw u otro proveedor para determinar los ejes de rotación. Eso no quiere decir que sea terriblemente difícil, pero es Definitivamente, una progresión del conjunto de habilidades que debe tenerse en cuenta al invertir en una nueva máquina o contratar a un operador".

La buena noticia es que la operación del centro de mecanizado de cinco ejes es cada vez más fácil. Eso es según Errol Burrell, especialista en productos de centros de máquinas para Okuma America Corp., Charlotte, NC, quien puede presumir de 25 años de experiencia en cinco ejes. No solo los sistemas CAM se están volviendo más "compatibles con cinco" de lo que eran antes, dijo, sino que los fabricantes de máquinas herramienta han introducido sistemas de calibración automática que eliminan gran parte de las conjeturas descritas anteriormente.

"Cuando me presentaron por primera vez las máquinas de cinco ejes, prácticamente necesitabas un título del MIT para configurar una", dijo. "Tenías que conocer la ubicación de los puntos de pivote giratorio y la superficie constante, que es tu mesa, y la línea de calibre del husillo, las longitudes de la herramienta y todos estos valores tenían que tenerse en cuenta cuando generabas el programa. Ese no es el caso ahora con la invención de lo que Okuma llama control del punto central de la herramienta, o TCPC".

Burrell explicó que cada fabricante de máquinas tiene su propia versión de TCPC, pero todos hacen lo mismo: facilitan la determinación del centro de rotación de la pieza. La mayoría también ofrece características similares a la compensación dinámica de dispositivos de Okuma, ajuste automático de cinco ejes, control de postura y más, todo lo cual elimina las molestias de los cinco ejes. "Ya no nos preocupamos por todas las cosas con las que tuvimos que lidiar porque todo se calcula automáticamente en segundo plano, ya sea en el control de la máquina o en el sistema CAM. Es mucho más simple que antes".

La inversión en una nueva máquina herramienta no es un requisito previo para el mecanizado de cinco ejes. Burrell y varios otros entrevistados para este artículo notaron que muchos talleres se mojan al comprar primero una mesa giratoria para trabajo de cuatro ejes, o una giratoria basculante estilo muñón para mecanizado simultáneo de 3+2 y cinco ejes. Y aunque esta es una buena solución para algunas aplicaciones, presenta algunas advertencias.

La primera es que todas las sutilezas de cinco ejes que acabamos de mencionar no existen en un VMC de tres ejes. Y si bien es posible que su falta no requiera que el operador tenga la educación del MIT de los primeros días de Burrell, no tenerlos hará que la configuración y la resolución de problemas sean más desafiantes, lo suficiente como para que sea poco probable competir con un verdadero taller de cinco ejes.

El segundo es la longitud de la herramienta. Dado que una mesa de muñón típica puede medir 14" (35,56 cm) o más de altura, los aproximadamente 20" (50,8 cm) de recorrido del eje Z común en muchas fresadoras verticales se consumen rápidamente. En pocas palabras, instalar una mesa giratoria inclinable en la mayoría de los VMC es como poner un buscador de peces y un motor de pesca por curricán en un viejo Crestliner: es posible que atrape algunos crappies, pero nunca será el Bass Cat que esperaba. "Las mesas giratorias y los muñones son limitados, pero si no tiene el dinero o si sus necesidades son mínimas, sigue siendo una buena manera de introducirse fácilmente en el mecanizado de cuatro y cinco ejes".

Thomas Saur, vicepresidente de productos FANUC America en Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., sugirió que el cambio del mecanizado de tres a cuatro o cinco ejes es como una marea alta que llega a la costa, y agregó que muchos de sus los clientes invierten en uno de los centros de mecanizado RoboDrill de tres ejes de FANUC un año y agregan una mesa de cuatro o cinco ejes al siguiente. Y debido a que las máquinas están diseñadas para tal transición, las limitaciones que se acaban de mencionar no se aplican. Además, estos clientes suelen añadir una de las soluciones de automatización de la empresa al mismo tiempo.

Sin embargo, sea cual sea la marca o el modelo de la máquina herramienta, Saur está de acuerdo en que el mecanizado de cinco ejes requiere una mayor inversión en tecnología y personas por igual. "Absolutamente se necesita gente capacitada", dijo. "Necesita el sistema de programación correcto, la sujeción de piezas y los accesorios de la máquina correctos, y probablemente debería tener algún tipo de software de simulación de trayectoria debido al mayor potencial de choque de los cinco ejes. Pero si hace todas estas cosas bien, es una excelente manera de reduzca el WIP, mejore la calidad de las piezas y abra la puerta a nuevas oportunidades".

Saur relató una historia de Command Technology, una tienda en Maryland, que hizo tal inversión. Al instalar un robot capaz de cambiar paletas y portaherramientas, el taller ahora puede ejecutar hasta 60 números de pieza únicos sin supervisión, incluso aquellos que son nuevos para la empresa. "Estos muchachos se encuentran entre los mejores de la industria, pero muestra lo que es posible", dijo. "Confían en la máquina, confían en el sistema de programación y confían en la gente. Eso les permite cargarla con espacios en blanco el viernes por la tarde y volver a las piezas terminadas el lunes. Es un ejemplo que muchos talleres deberían seguir".

Tony Pekalski, presidente de YCM Technology (USA) Inc., con sede en Carson, California, dijo que el éxito con cualquier VMC de cinco ejes depende de varios factores, muchos de los cuales ya están enumerados. Estos incluyen el nivel de habilidad del operador, la cantidad y el tipo de trabajo disponible para la máquina, los requisitos de precisión y más. Sin embargo, en algún lugar cerca de la parte superior de esta lista se encuentra la cantidad de material que se debe quitar de la pieza de trabajo.

"Para la eliminación de material pesado, una vertical de tres ejes suele ser una mejor opción, debido al hecho de que, por lo general, no se pueden ejecutar las mismas velocidades de avance y profundidades de corte en un muñón", dijo. "Por otro lado, siempre estará mejor desde una perspectiva de precisión si puede mecanizar tanto como sea posible en una sola operación, en lo que la maquinaria de cinco ejes obviamente es mejor. Estas variables son la razón por la cual es importante que cualquier taller se asocie con alguien que conozca todo tipo de máquinas herramienta antes de invertir en una".

Pekalski profundizó en esta afirmación, sugiriendo que un buen proveedor no solo debe comprender las diferentes aplicaciones de las máquinas herramienta de tres, cuatro o cinco ejes, sino también los diferentes diseños disponibles dentro de cada una. Por ejemplo, YCM ofrece cinco estilos diferentes de máquinas de cinco ejes. Estos incluyen molinos de marco en C, puente, ariete y pórtico, cada uno equipado con un muñón, así como verticales de doble columna y pórtico con cabezales de dos ejes. Un centro de mecanizado estilo muñón horizontal está en el horizonte.

¿Importa? Sí, dijo Pekalski. "Aeronáutica, automotriz, médica, energía, equipos pesados: existen tantos segmentos de mercado diferentes, cada uno con una amplia variedad de piezas y materiales, que es imposible tener un estilo de máquina que se adapte bien a cada uno. Es por eso que tener una oferta tan diversa, para competir en cada uno de estos mercados".

Es importante tener en cuenta que otros constructores cuentan con una diversidad de máquinas herramienta similar y por razones similares. Depende de los compradores de tales equipos examinar las interminables especificaciones, los estudios de tiempo, las demostraciones de corte y los sabios consejos de los vendedores para decidir qué máquina se adapta mejor a sus necesidades. Una cosa en la que Pekalski y sus colegas están de acuerdo es que la mayoría de los talleres necesitan múltiples estilos e incluso marcas de máquinas-herramienta para seguir siendo competitivos.

"No existe una solución única para todos, sin importar quién seas", dijo. "Por las razones que mencioné anteriormente, algunos talleres desbastan en una máquina grande y resistente de cinco ejes y terminan en una más pequeña. Muchos de ellos usan cinco ejes para trabajos de 3+2, lo que significa que pueden poner ese mismo trabajo en una fresadora de tres ejes si es necesario. Otros están perfectamente contentos con una fila completa de máquinas de tres ejes, mientras que la mayoría de ellos probablemente pueda usar ambos, aunque aún no han tomado esa decisión. Es nuestro trabajo como constructores de máquinas para educar a nuestros clientes, proporcionarles equipos de alta calidad y opciones de automatización, y luego apoyarlos durante el tiempo que nos necesiten".

Conéctate con nosotros