En Mecanizado CNC básicamente convierte las materias primas en componentes mediante automatización controlada por ordenador. Puede conseguir tolerancias tan ajustadas como ±0,002″ en metales, plásticos y materiales compuestos. CNC significa Control Numérico por Ordenador. Es la tecnología de fabricación moderna que utiliza el diseño CAD, la programación CAM y el mecanizado multieje. Lo hace para fabricar dimensiones realmente complicadas. Este proceso de fabricación sustractiva se utiliza en la industria aeroespacial, médica, automotriz, y otras industrias por ahí.
Principales conclusiones
- El mecanizado CNC es un proceso de fabricación que obtiene tolerancias de ±0,002″ en más de 50 tipos de materiales
- El mecanizado CNC de 5 ejes completa piezas complejas en una sola configuración, reduciendo el tiempo de producción
- Las máquinas CNC más modernas trabajan día y noche con cambios de herramienta automatizados y control de calidad
- El proceso de fabricación con máquinas CNC controla cada movimiento con una precisión micrométrica.
- Los distintos tipos de máquinas CNC abarcan desde configuraciones básicas de 3 ejes hasta configuraciones avanzadas de 12 ejes.
¿Qué es el mecanizado CNC y cómo funciona?
El mecanizado CNC es un proceso de fabricación sustractivo que utiliza el control numérico por ordenador para automatizar las máquinas herramienta. Elimina material de las piezas de trabajo de acuerdo con instrucciones programadas. El funcionamiento de un sistema de mecanizado CNC controla las herramientas de corte mediante servomotores y motores paso a paso. De este modo, consigue una precisión de 0,0001″ mediante sistemas de retroalimentación de bucle cerrado.
La moderna tecnología CNC combina cerramientos de seguridad, cambiadores automáticos de herramientas y supervisión en tiempo real. Todo ello para garantizar una calidad constante. Según GlobeNewsWire, en 2021, el mercado mundial de máquinas CNC tenía un valor de $83,99 mil millones. Es probable que aumente a $140,78 mil millones en 2029. Esto supone una tasa media de crecimiento de alrededor de 7,1% al año.
Desarrollo histórico y evolución de la fabricación CNC
La historia del mecanizado CNC comenzó cuando John T. Parsons desarrolló las primeras máquinas de control numérico en el MIT en 1949 para la fabricación de aviones, mejoradas posteriormente por Richard Kegg en 1952. La maquinaria CNC actual sustituye las tarjetas perforadas por lenguajes de programación de código G que especifican los movimientos de las herramientas, las velocidades de los husillos y los avances. Los controles electrónicos gestionan todas las funciones de funcionamiento de la máquina, desde el flujo de refrigerante hasta el posicionamiento de la pieza, mientras que los sistemas de recopilación de datos de fabricación (MDC) realizan un seguimiento del rendimiento en tiempo real.
La tecnología CNC difiere fundamentalmente del mecanizado manual al eliminar el error humano y permitir un funcionamiento continuo. Diferentes máquinas CNC ejecutan secuencias programadas repetidamente, manteniendo la precisión dimensional en miles de piezas mientras los operarios supervisan varias máquinas herramienta simultáneamente.
Los 5 pasos del proceso de mecanizado CNC
El proceso de mecanizado CNC comienza con un flujo de trabajo sistemático desde el diseño inicial hasta la inspección final, garantizando una calidad y precisión dimensional constantes. Cada paso del proceso de fabricación se basa en el anterior, creando un sistema integrado que transforma los modelos digitales en componentes físicos. Comprender estos pasos del proceso de mecanizado optimiza la eficacia de la producción y los resultados de calidad.
Paso 1: Creación del modelo CAD y preparación del diseño
El proceso de mecanizado comienza con la creación de modelos CAD detallados que definen todas las dimensiones, tolerancias y características de la pieza acabada. Los ingenieros utilizan programas como SolidWorks, AutoCAD o Fusion 360 para especificar las restricciones geométricas, las propiedades de los materiales y los requisitos de fabricación. Los componentes complejos requieren un modelado 3D avanzado con características paramétricas, relaciones de ensamblaje y planos de ingeniería que guíen los procesos de mecanizado CNC posteriores.
Consideraciones y requisitos de diseño
El modelo CAD sirve de base para todas las operaciones de mecanizado CNC. Los ingenieros deben tener en cuenta las limitaciones de mecanizado durante diseño, incluyendo:
- Ángulos de acceso de la herramienta de corte para operaciones multieje
- Radios mínimos para esquinas interiores y bolsillos
- Ángulos de desmoldeo para cavidades profundas y geometrías complejas
- Estrategias de arranque de material y ubicaciones de sujeción
Principios de diseño para la fabricación
Los principios de diseño para la fabricación guían el desarrollo de CAD, garantizando que las piezas de la máquina puedan mecanizarse de forma económica a la vez que cumplen los requisitos funcionales. Esto incluye evitar socavados que requieran herramientas especiales, minimizar los cambios de configuración y seleccionar las herramientas adecuadas. acabado superficial especificaciones.
Paso 2: Programación CAM y desarrollo de programas CNC
El software CAM transforma los modelos CAD en instrucciones para la máquina CNC que los controladores pueden ejecutar directamente. Programas como Mastercam, PowerMill o HSMWorks calculan las trayectorias óptimas de las herramientas, seleccionan los parámetros de corte y generan el código específico de la máquina. El software CAE (ingeniería asistida por ordenador) analiza las fuerzas de corte y optimiza las estrategias de trayectoria de las herramientas para diferentes tipos de metal y otros materiales.
Flujo de trabajo de programación y generación de código
| Código Tipo | Función | Ejemplos de comandos | Control de máquinas |
|---|---|---|---|
| Código G | Movimientos geométricos | G01 (lineal), G02 (arco horario) | Posicionamiento de la herramienta |
| Código M | Funciones de la máquina | M03 (arranque del husillo), M08 (refrigerante activado) | Mandos auxiliares |
| Códigos de herramientas | Selección de herramientas | T01 (herramienta 1), H01 (desplazamiento de altura) | Gestión de herramientas de corte |
El programa CNC contiene instrucciones geométricas, mientras que el código M controla las funciones de funcionamiento de la máquina, como el arranque/parada del husillo y la activación del refrigerante. Los sistemas CAM modernos simulan virtualmente las trayectorias de las herramientas, detectan posibles colisiones y optimizan las estrategias de corte antes de que comience el mecanizado real.
Funciones de programación avanzadas
Los programas para máquinas CNC deben tener en cuenta las capacidades específicas de la máquina, las bibliotecas de herramientas y las propiedades de los materiales. La naturaleza automatizada del mecanizado CNC depende de una programación precisa que tenga en cuenta:
- Postprocesadores específicos de la máquina y compatibilidad de los controladores
- Gestión de la biblioteca de herramientas y optimización de los parámetros de corte
- Propiedades de los materiales y consideraciones térmicas
- Detección de colisiones y verificación de trayectorias
Paso 3: Configuración de la máquina y sistemas de portapiezas
La configuración de la máquina implica el montaje de la pieza de trabajo, la instalación de la herramienta de corte y el establecimiento del sistema de coordenadas para garantizar que las piezas cumplen las especificaciones dimensionales. Los operarios fijan las piezas mediante tornillos de banco, dispositivos de fijación, dispositivos de sujeción de piezas personalizados o abrazaderas neumáticas que impiden el movimiento durante las operaciones de mecanizado CNC.
Métodos de sujeción y fijación
- Mordazas y abrazaderas mecánicas para geometrías estándar
- Fijaciones personalizadas para piezas complejas o de gran volumen
- Pinzas neumáticas e hidráulicas para sistemas automatizados
- Brazos robóticos para carga y posicionamiento automatizados de piezas de trabajo
Procedimientos de configuración y calibración de herramientas
La configuración de la herramienta de corte requiere mediciones precisas de longitud y diámetro utilizando preajustadores de herramientas o sondas montadas en la máquina. La posición de cada herramienta en relación con el sistema de coordenadas de la pieza debe establecerse con una precisión de 0,0001″ para el control dimensional. La máquina utilizada para los procedimientos de reglaje afecta directamente a la calidad final de la pieza y a la eficacia de la producción.
Alineación del sistema de coordenadas
La alineación del sistema de coordenadas establece la relación entre las dimensiones del modelo CAD y el posicionamiento físico de la pieza de trabajo. Los operarios utilizan localizadores de bordes, sistemas de sonda o superficies de referencia para establecer las compensaciones de trabajo que traducen las coordenadas programadas a posiciones reales de la máquina. Este paso crítico determina la precisión con la que la máquina CNC puede reproducir la geometría diseñada.
Paso 4: Ejecución de operaciones de mecanizado CNC
Las máquinas CNC ejecutan operaciones programadas controlando la rotación del husillo, las velocidades de avance de la herramienta y los movimientos de coordenadas simultáneamente en varios ejes. Los servomotores posicionan las herramientas de corte con una resolución de 0,0001″, mientras que las velocidades del husillo alcanzan las 40.000 RPM para aplicaciones de mecanizado de alta velocidad.
Supervisión y control en tiempo real
Los sistemas de retroalimentación en tiempo real supervisan las fuerzas de corte, las vibraciones y el desgaste de las herramientas para mantener unas condiciones de corte óptimas durante las operaciones de mecanizado CNC habituales. La máquina CNC alimenta los materiales mediante sistemas automatizados, mientras que los brazos robóticos gestionan la manipulación de las piezas.
Gestión automatizada de herramientas
- Almacenes de herramientas con capacidad para 20-200 herramientas de corte
- Cambiadores automáticos de herramientas para una producción ininterrumpida
- Sistemas de compensación de la longitud de las herramientas
- Control del estado de las herramientas en tiempo real
Tipos de operaciones de mecanizado
Las operaciones CNC habituales incluyen pasadas de desbaste que eliminan rápidamente el material a granel, operaciones de semiacabado que se aproximan a las dimensiones finales y pasadas de acabado que consiguen la calidad de superficie especificada. Los sistemas de refrigeración inundan las zonas de corte con lubricantes o utilizan lubricación de cantidad mínima (MQL) para controlar las temperaturas de corte y prolongar la vida útil de la herramienta.
Paso 5: Control de calidad e inspección final
El control de calidad emplea máquinas de medición de coordenadas (MMC), comparadores ópticos y medidores de acabado superficial para verificar la precisión dimensional y la calidad superficial. Los sistemas de MMC miden las características de las piezas con una precisión de 0,0001″ mediante sondas táctiles o escáneres láser que comparan las dimensiones reales con las especificaciones del modelo CAD.
Métodos y equipos de inspección
- Sistemas MMC para una medición dimensional precisa
- Comparadores ópticos para la verificación de perfiles
- Medidores de acabado superficial para el análisis de texturas
- Calibradores y micrómetros digitales para comprobaciones rápidas
Documentación y trazabilidad
Los documentos de inspección del primer artículo verifican que las piezas iniciales cumplen todos los requisitos de los planos antes de que comience la producción completa. El control estadístico de procesos realiza un seguimiento de las tendencias dimensionales para evitar desviaciones de la calidad durante largos periodos de fabricación.
Control de calidad durante el proceso
La supervisión durante el proceso utiliza sondas montadas en la máquina para comprobar las dimensiones críticas durante las operaciones de mecanizado activas. Los informes de inspección digitales proporcionan documentación completa para la trazabilidad y la garantía de calidad. El proceso de mecanizado CNC permite que los sistemas de inspección automatizados verifiquen la calidad de las piezas sin intervención humana, lo que respalda las capacidades de fabricación "lights-out".
Tipos de máquinas herramienta CNC y configuraciones
Los distintos tipos de máquinas CNC responden a requisitos de fabricación específicos, desde sistemas sencillos de 2 ejes hasta configuraciones complejas de 12 ejes. Cada tipo de máquina CNC ofrece capacidades únicas para diferentes aplicaciones y materiales.
| Tipo de máquina | Configuración de ejes | Tolerancia máxima | Aplicaciones primarias |
|---|---|---|---|
| Fresadora de 3 ejes | X, Y, Z lineal | ±0.002″ | Mecanizado general, superficies planas |
| Fresadora de 4 ejes | X, Y, Z + A rotación | ±0.001″ | Elementos cilíndricos, piezas giratorias |
| Fresadora de 5 ejes | Rotación X, Y, Z + A, C | ±0.0005″ | Componentes aeroespaciales, geometrías complejas |
| Fresadora de 9 ejes | Fresadora de 5 ejes + torno de 4 ejes | ±0.0002″ | Acabado completo de piezas |
| Fresadora de 12 ejes | Doble cabezal de 6 ejes | ±0.0001″ | Aplicaciones de ultraprecisión |
Operaciones de fresado y fresado CNC
La fresadora CNC representa la máquina herramienta más versátil de la fabricación moderna, capaz de producir superficies planas, cajeras complejas y geometrías 3D intrincadas. Las fresadoras CNC utilizan herramientas de corte giratorias que se desplazan por trayectorias programadas para eliminar material de piezas de trabajo fijas. El proceso de fresado CNC consigue unos acabados superficiales y una precisión dimensional excepcionales en diversos materiales.
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El fresado CNC de 5 ejes permite el mecanizado simultáneo de superficies complejas moviendo las herramientas de corte a lo largo de tres ejes lineales mientras giran alrededor de dos ejes adicionales. Esta capacidad elimina las múltiples configuraciones necesarias en las máquinas convencionales, lo que reduce los errores de configuración y mejora la calidad del acabado superficial. El proceso CNC de 5 ejes destaca en el mecanizado de componentes aeroespaciales con geometrías complejas.
Operaciones de torno y torneado CNC
En Torno CNC está especializada en el mecanizado de piezas cilíndricas por rotación de piezas contra herramientas de corte fijas. Torneado CNC Las operaciones de torneado crean superficies externas, taladros internos y perfiles complejos con una concentricidad y un acabado superficial excepcionales. El torneado es un proceso de mecanizado ideal para ejes, casquillos y componentes roscados que requieren simetría rotacional.
Los tornos CNC modernos incorporan herramientas motorizadas que permiten realizar operaciones de fresado en piezas giratorias. Esta capacidad combina el torneado y el fresado en una sola configuración, lo que reduce el tiempo de manipulación y mejora la precisión de las piezas. Los tornos de tipo suizo soportan piezas de trabajo largas y delgadas mediante casquillos guía que minimizan la desviación durante el mecanizado.
Fresadoras CNC y equipos especializados
La fresadora CNC procesa madera, plásticos y materiales compuestos utilizando husillos de alta velocidad y herramientas de corte especializadas. Las fresadoras CNC destacan en el corte de materiales en láminas, la creación de elementos decorativos y la producción de componentes de embalaje. La máquina funciona a mayor velocidad que las máquinas de corte de metal, manteniendo la precisión para materiales no metálicos.
Las taladradoras CNC están especializadas en la creación de orificios precisos mediante ciclos automatizados de posicionamiento y taladrado. El proceso de taladrado CNC maneja múltiples tamaños y profundidades de orificio con una precisión constante, esencial para piezas que requieren ensamblaje con elementos de fijación o pasos de fluidos.
Procesos y tecnología CNC avanzados
La tecnología CNC moderna va más allá del fresado y torneado convencionales e incluye procesos especializados que manipulan materiales difíciles y geometrías complejas. Estos avanzados métodos de fabricación permiten el mecanizado de precisión de componentes imposibles de producir mediante técnicas de mecanizado tradicionales.
Máquinas de electroerosión por hilo y de descarga eléctrica
La electroerosión por hilo corta materiales endurecidos utilizando chispas eléctricas entre electrodos de hilo fino y piezas de trabajo en fluido dieléctrico. Las máquinas de descarga eléctrica procesan materiales independientemente de su dureza, logrando tolerancias de ±0,0001″ con acabados superficiales superiores. El proceso crea canales de plasma entre los electrodos mediante descargas eléctricas controladas, lo que permite geometrías complejas imposibles con herramientas de corte convencionales.
Corte por plasma y chorro de agua CNC
El corte por chorro de agua CNC utiliza chorros de agua a altísima presión (50.000+ PSI) con partículas abrasivas para cortar materiales gruesos sin zonas afectadas por el calor. El proceso mecaniza prácticamente cualquier material manteniendo la precisión dimensional y eliminando la distorsión térmica. Corte por plasma utilizan plasma caliente acelerado para cortar materiales conductores de electricidad de hasta 30 mm de grosor.
Mecanizado ultrasónico y electroquímico
El mecanizado por ultrasonidos combina vibraciones de alta frecuencia (18-40 kHz) con lodos abrasivos para procesar materiales frágiles como la cerámica y el vidrio. El mecanizado electroquímico elimina el material mediante disolución controlada, produciendo superficies sin tensiones con una calidad de acabado Ra 0,05 en superaleaciones difíciles de mecanizar.
Compatibilidad de materiales y parámetros de mecanizado
Los materiales de mecanizado CNC incluyen metales, plásticos, compuestos y cerámicas, cada uno de los cuales requiere parámetros de corte y selección de herramientas específicos. El mecanizado de metales domina las aplicaciones CNC debido a los requisitos de resistencia y las necesidades de estabilidad dimensional en todos los sectores.
Estrategias de mecanizado de metales
| Material | Grado/Aleación | Velocidad de corte (SFM) | Velocidad de avance (IPM) | Aplicaciones |
|---|---|---|---|---|
| Aluminio | 6061-T6 | 2000-3000 | 200-800 | Estructuras aeronáuticas, automoción |
| Acero inoxidable | 316, 17-4 PH | 300-600 | 50-200 | Productos sanitarios, marina |
| Titanio | Grado 5 (Ti-6Al-4V) | 200-400 | 25-100 | Aeroespacial, implantes |
| Latón | Corte libre | 1000-2000 | 100-400 | Accesorios eléctricos |
Ventajas del mecanizado CNC y aplicaciones industriales
Las ventajas del mecanizado CNC incluyen una precisión superior, repetibilidad y capacidades de automatización que reducen los costes de fabricación al tiempo que mejoran la calidad. El mecanizado CNC permite geometrías complejas, tolerancias estrechas y una producción uniforme en diversos sectores y aplicaciones.
Aplicaciones en la industria manufacturera
El mecanizado CNC tiene aplicaciones en aeroespacial para álabes de turbina y componentes estructurales que requieren la certificación AS9100. La industria del mecanizado sirve fabricación de dispositivos médicos con materiales biocompatibles y requisitos de conformidad con la FDA. Las aplicaciones de automoción incluyen componentes de motor y utillaje de precisión para sistemas de producción en serie.
Tendencias en la industria del mecanizado CNC
El mercado del mecanizado CNC sigue expandiéndose gracias a los avances en automatización y las capacidades multieje. Entre las tendencias del sector del mecanizado CNC se encuentran la fabricación sin luz, los sistemas de control adaptativos y la tecnología digital twin, que optimizan la eficiencia de la producción.
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Procesos de mecanizado CNC | Preguntas frecuentes
¿Cómo se integra el corte por plasma con el mecanizado CNC para materiales gruesos?
El corte por plasma CNC utiliza un flujo de plasma caliente acelerado para cortar materiales conductores de la electricidad de hasta 30 mm de grosor mediante electricidad de alto voltaje o sistemas de arco piloto. El proceso es más rápido que el oxicorte y mantiene la precisión gracias al control informático del movimiento de la antorcha y el caudal de gas. Las antorchas HFSS utilizan electricidad de alto voltaje, mientras que los sistemas MCSP crean arcos piloto a partir de electrodos móviles para mejorar la calidad del corte.
¿Qué papel desempeña el software CAE en la optimización de las operaciones CNC?
El software CAE (ingeniería asistida por ordenador) simula las fuerzas de corte, los efectos térmicos y la desviación de la herramienta antes de iniciar el mecanizado. El software analiza las propiedades de los materiales, la geometría de la herramienta y los parámetros de corte para predecir las velocidades y avances óptimos, al tiempo que identifica posibles problemas como la vibración o el fallo de la herramienta. Estas pruebas virtuales reducen el tiempo de preparación y mejoran la calidad de la primera pieza al validar las estrategias de mecanizado mediante análisis de elementos finitos.
¿En qué se diferencian los tornos de tipo suizo de los centros de torneado CNC convencionales?
Los tornos de tipo suizo soportan piezas de trabajo largas y delgadas mediante casquillos guía que colocan el material cerca de la herramienta de corte, reduciendo la desviación y permitiendo tolerancias estrechas en piezas de diámetro pequeño. El diseño permite realizar operaciones simultáneas de torneado, taladrado y fresado mientras la pieza avanza por el husillo del cabezal. Esta configuración destaca en la producción de grandes volúmenes de componentes de precisión, como tornillos médicos y accesorios aeroespaciales.
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