Mecanizado CNC explicado: Fabricación de precisión para piezas metálicas y plásticas

El mecanizado CNC es la tecnología de fabricación sustractiva más común hoy en día y una forma muy flexible y robusta de producir piezas personalizadas de metal y plástico. Usando modelos CAD, las máquinas CNC eliminan material con precisión de un bloque sólido con una variedad de herramientas de corte.

En general, el mecanizado CNC produce piezas con tolerancias ajustadas e impresionantes propiedades del material. Es adecuado para trabajos unitarios y producción de volumen bajo a medio (hasta 1000 piezas), debido a su alta repetibilidad. Sin embargo, conlleva más restricciones de diseño que la impresión 3D, debido en parte a la naturaleza sustractiva de la tecnología.

En esta guía introductoria, le damos una visión general de los principios básicos de la tecnología y cómo se relacionan con los beneficios y limitaciones clave. También explicamos las diferencias clave entre los dos principales tipos de máquinas CNC: fresado y torneado.

Guía de fabricación y diseño de mecanizado CNC

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¿Cómo funciona el mecanizado CNC? Hablemos de fresado y torneado

Los dos principales tipos de sistemas de mecanizado CNC (control numérico por computadora) son el fresado y el torneado. Debido a las características de cada tipo de máquina, el fresado y el torneado son cada uno ideal de forma única para fabricar diferentes geometrías.

Desglosemos cómo se fabrican las piezas usando estas dos configuraciones de máquina distintas.

¿Cómo funciona el fresado CNC?

El fresado CNC es la arquitectura de máquina CNC más popular. De hecho, el término fresado CNC es a menudo sinónimo de mecanizado CNC. Las máquinas de fresado CNC usan herramientas de corte rotativas para eliminar material de una pieza montada en la mesa de la máquina.

La mayoría de los sistemas de fresado CNC tienen 3 grados de libertad lineales: los ejes X, Y y Z. Los sistemas más avanzados tienen 5 grados de libertad de mecanizado mediante la rotación de la mesa y/o el cabezal de la herramienta (ejes A y B). Las máquinas de 5 ejes pueden producir piezas con alta complejidad geométrica y pueden eliminar la necesidad de múltiples pasos de máquina.

Aquí tiene una visión general de cómo una máquina de fresado CNC convierte un modelo CAD en una pieza personalizada.

• El operador convierte un modelo CAD en una serie de comandos para ser interpretados por la máquina CNC (G-code).

• Un bloque de material —esto se llama la bruta o la pieza de trabajo— se corta a medida y se coloca en la plataforma de construcción, usando un torno o montándolo directamente en la mesa.

• Es importante posicionar y alinear precisamente la pieza de trabajo para fabricar piezas precisas. Puede usar herramientas de metrología especiales (sondas táctiles) para ayudar con el posicionamiento y alineación.

• Herramientas de corte especializadas, girando a velocidades muy altas (miles de RPM), eliminan material del bloque. Primero, la máquina elimina material rápidamente a menor precisión para lograr una geometría aproximada. Luego, realiza unos pocos pases de mayor precisión para producir la pieza final.

• Si el modelo tiene características que no pueden ser alcanzadas por la herramienta de corte en una sola configuración, el operador necesita voltear la pieza de trabajo y repetir estos pasos.

Tras el mecanizado, necesita rebabar una pieza fresada. El rebabado es el proceso manual de eliminar pequeños defectos de una pieza terminada. Estos defectos, generalmente encontrados en bordes afilados, provienen de la deformación del material durante el mecanizado. Por ejemplo, cuando un taladro sale por el lado opuesto de un orificio pasante, dejará marcas que necesitan eliminación.

Luego, querrá inspeccionar las dimensiones críticas de la pieza si se especificaron tolerancias en el dibujo técnico. Tras completar este paso, su pieza está lista para uso o para post-procesado. Hay mucho que explorar en post-procesado para piezas mecanizadas CNC (fresadas y torneadas por igual), así que le recomendamos actualizar y/o mejorar sus conocimientos.

¿Cómo funciona el torneado CNC?

Las máquinas de torneado CNC usan herramientas de corte estacionarias para eliminar material de una pieza, que está montada en un plato giratorio. Esta es una forma ideal de fabricar piezas con simetría a lo largo de su eje central. Las piezas torneadas se producen típicamente más rápido y a menor coste que las fresadas.

Típicamente, los sistemas de torneado CNC —también conocidos como tornos— se usan para crear piezas cilíndricas. Los centros de torneado CNC multi-eje modernos, equipados con herramientas de fresado CNC, pueden fabricar piezas no cilíndricas. Estos sistemas combinan la alta productividad del torneado CNC con las capacidades del fresado CNC y pueden fabricar una gama muy grande de geometrías con simetría rotacional, como árboles de levas e impulsores de compresores radiales.

Aquí tiene una visión general de cómo una máquina de torneado CNC fabrica piezas.

• El operador genera G-code a partir de un modelo CAD y carga la máquina con un cilindro de material bruto (bruta).

• La pieza comienza a girar a alta velocidad y una herramienta de corte estacionaria traza un perfil, eliminando material progresivamente hasta tener la geometría diseñada.

• Herramientas de corte internas y brocas centrales pueden usarse para cortar orificios a lo largo del eje central de la pieza de trabajo.

• Si necesita voltear o mover la pieza, tiene que repetir este proceso. De lo contrario, una vez que termine de eliminar material, la pieza debería estar lista para uso o posterior post-procesado.

Dado que la línea entre los sistemas de fresado y torneado CNC tiende a difuminarse, el resto de esta guía se centrará principalmente en el fresado CNC, ya que es el proceso de fabricación más comúnmente usado.

Guía rápida de parámetros de mecanizado CNC

La mayoría de los parámetros de mecanizado los determina el operador de la máquina al generar el G-code. Los principales parámetros que queremos cubrir son el tamaño de construcción y la precisión de las máquinas CNC.

Las máquinas CNC tienen un área de construcción relativamente grande, especialmente en comparación con las impresoras 3D. Los sistemas de fresado CNC pueden mecanizar piezas con dimensiones de hasta 2000 x 800 x 100 mm (78" x 32" x 40"), con sistemas de torneado CNC capaces de mecanizar piezas con un diámetro de hasta Ø 500 mm (Ø 20'').

Puede fabricar piezas con alta precisión y tolerancias ajustadas con mecanizado CNC. Las máquinas CNC pueden incluso alcanzar tolerancias de menos de la mitad del diámetro de un cabello humano promedio (± 0,025 mm o .001''). Si no se especifica tolerancia en el dibujo técnico, el operador mecanizará típicamente la pieza con una precisión de 0,125 mm (.005'').

¿Cuáles son las herramientas de corte más comunes para mecanizado CNC?

Para crear una amplia gama de geometrías, las máquinas CNC usan muchas herramientas de corte diferentes. Aquí están algunas de las herramientas de mecanizado más usadas para fresado.

Las herramientas de cabeza plana, cabeza de toro y cabeza esférica se usan para mecanizar ranuras, canales, cavidades y otras paredes verticales. Como cada una tiene diferentes capacidades geométricas, pueden mecanizar muchos tipos diferentes de características. Las herramientas de cabeza esférica también se usan comúnmente en mecanizado CNC de 5 ejes para fabricar superficies con curvatura y geometrías de forma libre.

Los taladros son, por supuesto, la herramienta más usada para crear orificios rápida y eficientemente. Puede encontrar todos los tamaños de taladro estándar aquí. Para crear orificios con diámetros no estándar, puede usar una herramienta de cabeza plana de inmersión (siguiendo una trayectoria helicoidal).

El diámetro del vástago de los cortadores de ranura es menor que el diámetro de su filo de corte, lo que permite a estas herramientas de fresado cortar ranuras en T y otros rebajes eliminando material de los lados de una pared vertical.

Los machos de roscar se usan para fabricar orificios roscados. Para crear una rosca, se requiere control preciso de la velocidad rotacional y lineal del macho. Los talleres de mecanizado comúnmente aún dependen del roscado manual.

Los cortadores de fresado frontal se usan para eliminar material de superficies planas grandes. Tienen un diámetro mayor que las herramientas de fresado frontal, por lo que requieren menos pasadas para mecanizar áreas grandes. Esto reduce el tiempo total de mecanizado para producir piezas con superficies planas. Los operadores a menudo realizan un paso de fresado frontal durante el ciclo de mecanizado para preparar las dimensiones del bloque.

Encontrará una gama igualmente amplia de herramientas de corte usadas en torneado CNC, que cubren todas sus necesidades de mecanizado como corte frontal, roscado y corte de ranuras.

Mecanizado CNC de piezas con complejidad geométrica: ¿cuáles son las restricciones de diseño?

Mientras que el mecanizado CNC ofrece impresionante libertad de diseño, las máquinas de torneado y fresado no pueden fabricar cualquier geometría. A diferencia de la impresión 3D, cuanto más complejo es el diseño, más costará mecanizarlo. Esto se debe a los pasos adicionales requeridos para piezas más complejas.

Las principales restricciones asociadas con el mecanizado CNC tienen que ver con la geometría de cada herramienta de corte individual. La geometría de la herramienta determina los radios de una pieza, y la mayoría de las herramientas de corte CNC tienen forma cilíndrica y una longitud de corte limitada. Estos factores hacen que las esquinas interiores afiladas sean particularmente desafiantes.

El acceso a las herramientas es otra restricción importante con el mecanizado CNC. Por ejemplo, los sistemas de 3 ejes solo pueden alcanzar un cierto nivel de complejidad de pieza. Si está diseñando para una máquina de 3 ejes, todas las características de la pieza solo podrán accederse directamente desde arriba. Los sistemas de 5 ejes ofrecen flexibilidad superior, ya que el ángulo entre la pieza y la herramienta puede ajustarse para acceder a áreas más difíciles de alcanzar de la pieza de trabajo.

Asimismo, las piezas con paredes delgadas u otras características finas son particularmente difíciles para las máquinas CNC. Las paredes delgadas son propensas a vibraciones y pueden romperse debido a la fuerza del torneado o fresado. Recomendamos diseñar piezas metálicas con un espesor de pared mínimo de 0,8 mm y piezas plásticas con un espesor de pared de 1,5 mm.

Entender qué tan complejo puede diseñar su pieza para diferentes tipos de máquinas, así como qué restricciones tener en cuenta, es crítico para asegurar que sus piezas salgan como diseñadas y con el estándar de calidad que busca. Para directrices adicionales sobre cómo el diseño puede ahorrarle mucho tiempo y dinero en mecanizado CNC, consulte este artículo.

¿Cuáles son las características del mecanizado CNC?

Una fortaleza clave del mecanizado CNC es su capacidad para producir consistentemente piezas robustas de una selección muy amplia de materiales. Las máquinas CNC pueden manejar prácticamente cualquier material de ingeniería.

En contraste con la impresión 3D, las piezas fabricadas mediante mecanizado CNC tienen propiedades físicas totalmente isotrópicas que son idénticas a las propiedades del material en bruto del que fueron mecanizadas.

El mecanizado CNC involucra predominantemente metales tanto para prototipado como para tiradas de producción mayores. Generalmente es más difícil mecanizar plásticos, ya que tienen menor rigidez y temperaturas de fusión, aunque un caso de uso común donde vemos el mérito es el mecanizado CNC de prototipos funcionales de plástico antes de embarcarse en tiradas de producción a mayor escala con moldeo por inyección.

¿Cuánto cuestan los materiales de mecanizado CNC?

Hay una tonelada de materiales disponibles para mecanizado CNC, lo que significa que el coste varía bastante entre materiales. Cada material viene con una etiqueta de precio diferente, y las propiedades físicas de cada material influyen en el coste total de mecanizado.

El aluminio 6061 es la opción más económica si opta por producir piezas metálicas, con un coste aproximado en bruto de 25 $ para una bruta con dimensiones de 150 x 150 x 25 mm. El ABS es la opción más barata, costando aproximadamente 17 $ para una bruta del mismo tamaño. Y en términos de cómo la facilidad de mecanizado afecta al coste, el acero inoxidable es un buen ejemplo. Es mucho más duro que el aluminio y por tanto más difícil de mecanizar, aumentando el coste total.

Aquí tiene una visión general completa de los materiales más populares que ofrecemos en la plataforma Hubs y sus características importantes.

Material	Características	Comparación de coste
Aluminio 6061	Buena relación resistencia-peso, excelente mecanizabilidad, baja dureza	$
Acero inoxidable 304	Excelentes propiedades mecánicas, resistente a corrosión y ácido, relativamente difícil de mecanizar	$$$
Latón C360	Alta ductilidad, excelente mecanizabilidad, buena resistencia a la corrosión	$$
ABS	Excelente resistencia al impacto, buenas propiedades mecánicas, susceptible a solventes	$$
Nylon (PA6 y PA66)	Excelentes propiedades mecánicas, alta tenacidad, mala resistencia a la humedad	$$
POM (Delrin)	Alta rigidez, excelentes propiedades térmicas y eléctricas, relativamente frágil	$$

¿Cómo puedo aprender más sobre materiales para mecanizado CNC?

Hay mucho que aprender sobre todos los materiales que Hubs ofrece para mecanizado CNC. Para profundizar en materiales individuales o conjuntos de materiales, consulte estos videos especializados, disponibles en nuestro canal de Youtube.

Post-procesado y acabados superficiales para mecanizado CNC

Las piezas mecanizadas CNC que salen directamente de la máquina generalmente tendrán marcas de herramienta visibles, lo que no siempre es deseable según los requisitos de su pieza. Hay muchos métodos de post-procesado que pueden usarse para mejorar la apariencia de la superficie de una pieza y aumentar su resistencia al desgaste, corrosión y químicos. Anodizado, chorro de cuentas y recubrimiento en polvo son todos métodos viables para terminar sus piezas personalizadas.

Como esta es una guía más general, no entraremos en profundidad sobre post-procesado y acabados superficiales. Puede explorar las técnicas y acabados más comunes para mecanizado CNC en este explicador útil.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas del mecanizado CNC?

Mientras que el mecanizado CNC es un proceso de fabricación viable e incluso ideal para muchas aplicaciones que van desde el prototipado hasta la producción a mediana escala de piezas de uso final, no está exento de defectos. En esta sección, cubrimos los beneficios y limitaciones de este proceso de mecanizado sustractivo.

El mecanizado CNC ofrece excelente precisión y repetibilidad. Tanto el fresado como el torneado pueden producir piezas con tolerancias muy ajustadas, lo que hace al CNC ideal para aplicaciones de alta gama como en las industrias aeroespacial, aviación y automotriz. La mayoría de materiales usados en mecanizado CNC tienen excelentes propiedades físicas totalmente isotrópicas y son adecuados para la mayoría de aplicaciones de ingeniería.

En general, el mecanizado CNC es el proceso de fabricación más rentable para producir cantidades bajas a medias de piezas metálicas. Esto significa que puede usar CNC para prototipos unitarios o para producir hasta 1000 unidades.

Si bien estos beneficios hacen del mecanizado CNC una opción atractiva para ingenieros, la naturaleza sustractiva de la tecnología hace que ciertas geometrías más complejas sean muy costosas o incluso imposibles de fabricar.

Desde una perspectiva financiera, el coste inicial del mecanizado CNC es mucho mayor que el de la impresión 3D. Si busca producir prototipos de plástico de bajo coste, la impresión 3D puede ser una mejor opción en cuanto a configuración.

Los plazos de entrega para mecanizado CNC tienden a ser más largos que para impresión 3D, ya que el plazo medio para CNC es de 10 días comparado con los mucho menores 2-5 días para impresión 3D. Las máquinas CNC no están tan ampliamente disponibles como las impresoras 3D, ya que requieren más conocimiento experto para operar eficazmente.

¿Cuáles son las reglas prácticas de Hubs para mecanizado CNC?

Desglosemos los parámetros clave a considerar para mecanizado CNC de piezas personalizadas de metal y plástico.

Parámetro clave CNC	Qué dice Hubs
Precisión dimensional	Típica: ± 0,125 mm (.005'') Máxima: ± 0,02 mm (.0008'')
Espesor de pared mínimo	Metales: 0,75 mm (0,030") Plásticos: 1,5 mm (0,060")
Tamaño de construcción máximo	Fresado: 2000 x 800 x 100 mm (78'' x 32'' x 40'') Torneado: Ø 500 mm (Ø 20'')

Preguntas frecuentes

¿Cuál es la mejor aplicación del mecanizado CNC?

El mecanizado CNC es ideal para trabajos de fabricación unitarios y para producción de volumen bajo a medio de varios cientos a 1000 piezas. Recomendamos usar mecanizado CNC para producir sus prototipos metálicos, ya que es la opción más competitiva en precio. También debería optar por mecanizado CNC cuando sus piezas necesiten tolerancias muy ajustadas.

¿Cuáles son las herramientas de corte de mecanizado CNC más comunes?

Las máquinas CNC usan una variedad de herramientas de corte para lograr una gama más amplia de geometrías de piezas. Estas herramientas incluyen taladros, cortadores de ranura, machos de roscar, cortadores de fresado frontal y herramientas de cabeza plana, cabeza de toro y cabeza esférica.

¿Qué industrias usan más el mecanizado CNC?

El mecanizado CNC es un proceso de fabricación sustractivo ampliamente usado. Un gran número de industrias dependen del CNC, incluyendo aeroespacial, automotriz, aviación, transporte y otros sectores integrales. Las piezas de avión, por ejemplo, tienen que fabricarse con una inmensa precisión para asegurar que toda la máquina funcione perfectamente como está diseñada.

¿Es el mecanizado CNC completamente automatizado?

El mecanizado CNC es, en su mayor parte, automatizado y depende de software preprogramado. El software CAD establece las dimensiones de una pieza, que las máquinas CNC usan para producir piezas físicas. En general, se requiere muy poca intervención humana, aunque algunos procesos complejos pueden necesitar un conjunto extra de manos manuales si el diseño de la pieza es únicamente complejo. En general, la automatización casi completa hace del mecanizado CNC un proceso de fabricación repetible y confiable.