Dominando el Mecanizado CNC de 5 Ejes: Guía Experta para Fabricación de Precisión

El procedimiento de programación de máquinas CNC de 5 ejes es bastante similar a las máquinas CNC tradicionales de 3 ejes en las que primero el usuario crea el modelo CAD del producto deseado. Luego el software genera el código G para el modelo de pieza en consecuencia. Sin embargo, las máquinas CNC de 5 ejes involucran valores angulares además de valores axiales lo que hace el código G un poco más complejo. Los ángulos se definen dependiendo de la configuración de la mesa y el cabezal de la máquina CNC de 5 ejes.

Las herramientas usadas en máquinas de 5 ejes también se han mejorado en cuanto a su geometría y formas. Formas y geometrías de herramientas de corte más rápidas dan mejores resultados en forma de tolerancia y ajustes de productos finales. Sin embargo, el tipo de materiales sigue siendo similar a los métodos convencionales que dependen de la resistencia del material de corte.

Bonus:

1. El mecanizado de 5 ejes o mecanizado de cinco ejes a veces se abrevia simplemente diciendo mecanizado CNC 5X.
2. En producción real de pedidos, el 90% del trabajo realizado por una máquina de 5 ejes es en realidad solo de 5 caras (solo posicionamiento). ¿Sabe por qué? Debido a la estructura y requisitos reales de las piezas, la función de enlace de cinco ejes no se ha puesto en juego. Por eso la gente confunde el mecanizado CNC de 5 ejes y el mecanizado de 5 caras.

Precios de Máquinas CNC de 5 Ejes

Los precios de las máquinas CNC de 5 ejes son generalmente muy altos y varían mucho dependiendo de las características y tipo de máquina CNC. El costo va desde $10,000 a $500,000 dependiendo de diferentes factores. Sin embargo, pequeñas industrias con baja capacidad de fabricación pueden adquirir los servicios de tal tecnología innovadora a tarifas por hora. Las empresas que fabrican máquinas CNC de 5 ejes generalmente proporcionan tales soluciones personalizadas respecto al mecanizado CNC de 5 ejes.

Tipos de Configuración para Centro de Mecanizado de 5 Ejes

Mesa-mesa, cabezal-mesa y cabezal-cabezal son ejemplos de combinaciones comunes de máquinas CNC de 5 ejes.

La primera configuración es la configuración mesa-mesa, también caracterizada como máquina de mesa trunnion. Ambos ejes rotativos están contenidos en la mesa trunnion y el cabezal siempre está estacionario, rotando la pieza sobre la mesa. Esta configuración se basa en una máquina CNC estándar de 3 ejes, con los dos ejes rotativos usados para posicionar la pieza en la orientación deseada. La máquina CNC trunnion proporciona mejores capacidades de corte inferior, volúmenes de trabajo mayores y mejor velocidad y durabilidad. La máquina de cabezal oscilante o articulado, disponible en configuración cabezal-cabezal o cabezal-mesa, es la segunda configuración de máquina de 5 ejes.

A diferencia de una máquina trunnion estilo cabezal-cabezal, donde el cabezal realiza todas las rotaciones, la mesa es estática. La máquina cabezal-mesa, pero desde el otro lado, está compuesta por un cabezal inclinable y una mesa rotativa, lo que permite el uso de herramientas más cortas o de longitud estándar. Las máquinas de cabezal oscilante pueden mover el cabezal de la herramienta alrededor del bloque para ajustarse a espacios pequeños. La oscilación del husillo configura ejes rotativos para que materiales más pesados puedan procesarse y moldearse en máquinas CNC de 5 ejes fácilmente.

¿Por Qué Elegir Mecanizado CNC de 5 Ejes?

Los beneficios de las máquinas CNC de 5 ejes son vastos. Estas máquinas se usan en diferentes grupos de fabricación como instrumentos médicos que requieren formas muy suaves y complejas, equipos aeroespaciales que requieren acabado superficial de alta gama y extremos suaves, otros sectores que requieren tolerancia ajustada y fabrican productos en volumen.

Una de las necesidades básicas del proceso de mecanizado de 5 ejes es la agilidad para realizar procesos sustractivos y obtener esas geometrías complejas que son bastante difíciles de obtener con el mecanizado CNC convencional de 3 ejes. Por ejemplo, cuando necesitamos operaciones de corte, taladrado y roscado todas al mismo tiempo en diferentes caras de una pieza de material en diferentes ángulos, una máquina CNC simple requiere mucho esfuerzo para hacerlo. El usuario debe cambiar las posiciones de la pieza para crear ángulos a lo largo del proceso de corte si opta por un proceso de mecanizado CNC simple. Esto tomará mucho tiempo y esfuerzo. Aquí es donde las máquinas CNC de 5 ejes terminan el trabajo eficientemente.

La máquina CNC de 5 ejes puede crear tales formas y ángulos de una sola vez, reduciendo tiempo y esfuerzo con mayor precisión y cualidades de acabado superficial. Cuando se logran diferentes formas y geometrías, y se reduce el tiempo de entrega, aumenta el volumen de producción con incluso producción mixta. Industrias como aeroespacial, automotriz, médica y otras similares que requieren sus productos altamente precisos y perfiles exactos, el mecanizado de 5 ejes sirve lo mejor. Al reducirse la participación humana en el proceso de mecanizado, se logran altas tolerancias y estándares con máquinas CNC de 5 ejes. Cualquiera con la máquina adecuada, buenos conocimientos de CAD (diseño asistido por computadora) y selección de materiales puede utilizar máquinas CNC de 5 ejes para crear sus productos aparte de la fabricación de la empresa.

Ventajas del Mecanizado CNC de 5 Ejes

Cuando llegamos a este punto, podemos concluir las ventajas de las máquinas CNC de 5 ejes de la siguiente manera:

1. Reducir el tiempo de entrega y aumentar la velocidad de producción
2. Mejorar la precisión y calidad del proceso de mecanizado
3. Agilidad para obtener geometrías y formas complejas
4. Expandir la capacidad de producción
5. Reemplazar diferentes equipos de mecanizado con una sola máquina CNC de 5 ejes
6. Reducir errores potenciales en cada etapa del proceso de mecanizado
7. Vida útil de corte más larga debido a selección automática de herramienta y velocidad de corte optimizada.
8. Acabado superficial de alta gama debido a menos vibraciones en máquinas CNC de 5 ejes

Programación de Máquina CNC de 5 Ejes

El procedimiento de creación de código G para la máquina CNC comienza desde un modelo CAD diseñado en cualquier software de modelado. Luego el modelo CAD generalmente se convierte en un algoritmo, es decir, código G que contiene toda la información requerida como velocidad del husillo, avance y movimientos axiales de las herramientas de corte. Los algoritmos usados para controlar la herramienta de corte de alta velocidad de máquinas CNC de 5 ejes no son muy diferentes del código G de mecanizado convencional de 3 ejes. Sin embargo, el movimiento de la herramienta de corte en diferentes ángulos o inclinar la posición de la mesa requiere la información de ángulos de avance y trayectorias de curvatura.

Al programar en 5 ejes, tenemos dos posibilidades para controlar movimientos y posiciones rotativas. Podemos usar ángulos rotativos o vectores de herramienta para emitir los datos. Los vectores de herramienta son básicamente los comandos que se despliegan al final de los ejes X, Y y Z que dan la información a la herramienta para rotar o inclinar en un ángulo específico. La aplicación es única para cada configuración de máquina diferente debido al uso de vectores de herramienta IJK. La máquina tiene permitido usar cualquiera de los ejes que tenga disponibles para posicionar la herramienta en su posición y ángulo de inclinación comandados porque no está ordenando ninguna llamada de eje específica (A, B o C). Esta flexibilidad permite que la misma pieza programada se comparta entre múltiples máquinas en el taller independientemente de la configuración de la máquina.

Existen diferentes suites de software de programación CNC que pueden usarse para crear el código G que se despliega en máquinas CNC de 5 ejes. Software como Autodesk, Mastercam, Siemens NX, PowerMill y Edgecam son los más utilizados para programar máquinas de 5 ejes.

Pasos a Considerar al Realizar el Proceso de Mecanizado CNC de 5 Ejes

• Asegurar que hay una tasa de procesamiento suficiente de la máquina CNC para controlar la trayectoria de la herramienta de corte comandada por el código G cargado en la máquina CNC.
• Para operaciones CNC totalmente funcionales, también asegúrese de las funciones de anticipación (look-ahead) que permiten a la máquina NC calcular más rápido.
• Elegir el mejor sistema de sujeción de herramienta para el proceso de mecanizado CNC que asegure el movimiento sin vibraciones de la herramienta al crear un perfil en el material.
• Controlar la tasa de avance durante la condición para mantener la durabilidad de la herramienta de corte. Controlar la velocidad de las herramientas de corte en diferentes materiales es la clave básica para aumentar la vida de la herramienta de corte.
• Otro factor muy importante a vigilar es el control del calor del husillo usando refrigerante adecuado. Por tanto, se usan diferentes lubricantes o sistemas de chorro de agua para mantener baja la temperatura de la punta de la herramienta de corte y limpiar la viruta de la posición de corte.
• Además, antes de someter su pieza de trabajo a fabricación directamente en la máquina CNC de 5 ejes, es mejor hacer una simulación de trayectoria de herramienta que pueda asegurar que se realiza el proceso correcto con resultados correctos.

Herramientas de Corte para Proceso de Mecanizado CNC

Los materiales de herramientas de corte usados para cortar o moldear la pieza sometida en máquinas CNC de 5 ejes no son diferentes de las máquinas CNC de 3 ejes. Sin embargo, las estaciones de sujeción de herramienta son bastante diferentes y la capacidad de cambio de herramienta en CNC de 5 ejes está muy mejorada. También incluyen cambios automáticos de pieza o cambiador automático de paleta que reduce la interacción humana con la herramienta de corte y el material durante el proceso de fabricación. Esta flexibilidad también permite producción de Alta Mezcla o Bajo Volumen lo que aumenta la eficiencia de cualquier empresa de fabricación. En mecanizado CNC de 5 ejes hay 60 a 120 estaciones de herramientas en el cambiador automático de herramientas. Un mayor número de estaciones de herramientas proporciona el ajuste para trabajar en diseños bastante complejos.

La selección del material de herramienta de corte depende de diferentes factores como que el material de la herramienta debe ser un 40 a 60 por ciento más fuerte que el material sobre el que trabaja. Del mismo modo, debe tener alta conductividad térmica con un bajo coeficiente de fricción. Además, las fabricaciones de material de herramienta de corte deben ser fáciles para que sean fácilmente accesibles. Algunos de los materiales de corte usados en mecanizado CNC se dan a continuación:

Acero al Carbono

Este material es el material de corte más popular usado en mecanizado CNC debido a su disponibilidad y bajo costo. Contiene una pequeña cantidad de manganeso y silicio con 0.6 a 1.5% de contenido de carbono.

Acero de Alta Velocidad (HSS)

Este material es el segundo más abundantemente usado en mecanizado CNC por su durabilidad y alta resistencia al desgaste. Contiene tungsteno, cromo, molibdeno con una cantidad razonable de acero al carbono.

Carburos Cementados

Estos materiales se usan para operaciones de corte de muy alta velocidad ya que este material tiene alta resistencia térmica y puede soportar temperaturas como 1000 grados centígrados. Su composición involucra principalmente tungsteno, titanio y tantalio.

Cerámicas

Este material es químicamente inerte y no sufre corrosión, por lo que puede durar más que las herramientas de corte metálicas en entornos corrosivos. Estas herramientas son incluso diez veces más rápidas que HSS. Su material está compuesto principalmente de nitruro de silicio y óxido de aluminio.

Otros materiales de herramientas de corte incluyen punta de diamante, nitruros de boro-carbono o cermet.

Geometrías de Herramientas de Corte

Las herramientas de corte de 5 ejes son ligeramente diferentes de las convencionales ya que están sujetas a corte en ángulo, por lo que deben ser más flexibles con sus formas para realizar el trabajo.

Fresas de Extremo (End Mills): Son herramientas de corte rotativas que pueden usarse para remover material, especialmente en máquinas CNC de 5 ejes. La fresa de extremo, como la broca, se usa para operaciones de mecanizado más multipropósito. Las fresas de extremo son herramientas de corte laterales que cortan en cualquier dirección, a diferencia de las brocas, que solo pueden cortar axialmente al material. Diferentes categorías de fresas de extremo son:

Fresas de Extremo de Nariz Esférica (Ball Nose End Mills): Este tipo de fresa de extremo tiene una acción de contorno 3-D ideal que genera perfiles curvos de alto nivel. Inclinar el eje de la herramienta hace posible que las flautas agarren el material, jalándolo lejos de la pieza en lugar de empujarlo, causando que se acumule sobre sí mismo, la herramienta y la superficie de la pieza.

Fresas en V (V-Bits): También son un tipo de fresas de extremo y generalmente están disponibles en dos variantes, 90° o 60°, que dependen completamente de la depresión requerida en el material bajo fabricación.

Fresas de Extremo Multiflauta (Multi-flute End Mills): Cuando hay más filos en juego con más flautas en una herramienta de corte, el proceso de mecanizado puede mantener velocidades y avances más altos. Además, las flautas extra aumentan la superficie de corte de la herramienta, resultando en mayor vida útil. Estos beneficios se suman a tasas de remoción de metal significativamente más altas, un mejor acabado superficial y control de los costos generales.

Brocas Helicoidales (Twisting Drills): Esta herramienta de corte tiene dos flautas con dos lados para remover material de la pieza. Son el tipo más común de herramientas de corte usadas en mecanizado NC. Tiene tres porciones principales como otras herramientas de corte: mango, cuerpo y filo de corte.

Precios de Máquinas CNC de 5 Ejes

El costo de compra de una máquina CNC de 5 ejes varía mucho. Puede variar desde mil dólares hasta quinientos mil dólares. El precio depende del tamaño, características y tipo de máquina CNC. Algunos factores importantes para la variación de precios de máquinas CNC de 5 ejes son:

• Tipo de material de la pieza: acero, aluminio, titanio u otros
• Diseño de la máquina CNC: tipo trunnion o tipo oscilante
• Categoría de ejes: 3+2, 4+1 o máquina CNC de 5 ejes completa
• Tamaño de la máquina y otras características como capacidad de sujeción de herramientas y potencia del husillo

Algunas comparaciones simples para los diferentes tipos de máquinas CNC de 5 ejes se dan a continuación:

• Máquina de fresado CNC de 5 ejes 3+2 puede costar entre $35,000 – 200,000
• Máquina de fresado CNC de 5 ejes tipo trunnion cuesta alrededor de $200,000 – 500,000
• Máquina de fresado CNC de 5 ejes tipo cabezal oscilante cuesta casi $150,000 – 500,000
• Precios de mini máquina de fresado CNC de 5 ejes varían de $3,000 – 10,000
• Pequeña máquina de fresado CNC de 5 ejes 3+2 puede comprarse en rango de $25,000 – 40,000

Generalmente, los precios de máquinas CNC de 5 ejes son bastante altos, pero cualquiera que requiera servicios de mecanizado CNC de 5 ejes también puede obtener fabricación CNC personalizada a tarifas por hora.

Servicios de Mecanizado CNC de 5 Ejes con Diseño Personalizado

La necesidad de mecanizado CNC de 5 ejes ha crecido en todo el mundo debido a su acabado suave, tolerancia precisa y menor consumo de tiempo. Sin embargo, para fabricación de bajo volumen, las máquinas CNC pueden ser muy costosas para comprar y no aprovechar al máximo la máquina cuando no hay suficiente trabajo o no se necesita por mucho tiempo. Así, grandes empresas o fabricantes también proveen servicios de mecanizado CNC. Los servicios se cobran por hora. Los precios por hora de uso de máquinas de 5 ejes pueden variar de nuevo según el tipo de máquina CNC. Sin embargo, el cliente obtiene soluciones personalizadas y fabricación de piezas personalizadas al adquirir estos servicios. El precio de un servicio de mecanizado CNC de 5 ejes puede ser de $50 a $200, que puede negociarse y tratarse directamente con la empresa proveedora del servicio.

Conclusión

El mecanizado CNC de 5 ejes es realmente diferente del mecanizado CNC de 5 caras. Hay 5 tipos diferentes de máquinas CNC de 5 ejes. Desde el punto de vista profesional, el mecanizado multi-eje como el mecanizado 3+2 y 4+1 no son mecanizado de 5 ejes COMPLETO. Lo que pueden hacer es mecanizado de 5 caras. Pero el procesamiento CNC 4+1 es más capaz que el procesamiento 3+2.