Mecanizado (Machining): Definición, Procesos, Herramientas y Tecnologías CNC

El mecanizado es un término de fabricación que abarca una amplia gama de tecnologías y técnicas. Se puede definir aproximadamente como el proceso de remover material de una pieza usando herramientas de máquina accionadas por energía para darle una forma deseada.

La mayoría de componentes y piezas metálicas requieren alguna forma de mecanizado durante el proceso de fabricación. Otros materiales como plásticos, cauchos y productos de papel también se fabrican comúnmente mediante procesos de mecanizado. Aprendamos en detalle qué es el mecanizado, su proceso, y las herramientas y tecnologías usadas.

¿Qué es el Mecanizado?

El mecanizado es un proceso de prototipado y fabricación que crea la forma final deseada removiendo material no deseado de una pieza más grande. En estos procesos, una pieza se construye removiendo material, también conocido como manufactura sustractiva, en contraste con manufactura aditiva, donde se usa adición controlada de material.

Exactamente lo que implica la parte "controlada" de la definición puede variar, pero usualmente implica el uso de herramientas de máquina.

El mecanizado es parte de la fabricación de muchos productos metálicos, pero también puede usarse en madera, plástico, cerámica y materiales compuestos. Una persona especializada en mecanizado se llama maquinista (machinist).

Una sala, edificio o empresa donde se hace mecanizado se llama taller de mecanizado (machine shop). Gran parte del mecanizado moderno se realiza por control numérico computarizado (CNC), donde computadoras controlan el movimiento y operación de fresadoras, tornos y otras máquinas de corte. Esto aumenta eficiencia, ya que la máquina CNC funciona sin operador reduciendo costos laborales.

¿Cuáles son los diferentes tipos de mecanizado?

Los tres procesos principales de mecanizado se clasifican como torneado, taladrado y fresado. Otras operaciones en categorías misceláneas incluyen ranurado, cepillado, mandrinado, brochado y aserrado. Son:

• Torneado (Turning)– Implica rotar la pieza en una máquina, mientras una herramienta de corte de un solo filo permanece estacionaria. La herramienta se mueve lentamente paralela al eje de rotación de la pieza, removiendo material.
• Taladrado (Drilling) – Crea un agujero redondo rotando una herramienta cilíndrica paralela al eje de rotación de la pieza. El agujero creado tiene diámetro igual al de la herramienta usada.
• Fresado (Milling) – Proceso de remover material usando cortadores rotativos de una pieza en movimiento de avance perpendicular al eje de rotación de la herramienta de corte. Es una de las formas más comunes de mecanizado hoy.
• Operaciones misceláneas son operaciones que estrictamente pueden no ser operaciones de mecanizado en que no producen viruta, pero se realizan en herramienta de máquina típica. Brunido (burnishing) es ejemplo: no produce viruta pero puede hacerse en torno, fresadora o taladro.

¿Cómo funciona el mecanizado?

Una pieza sin terminar que requiera mecanizado necesitará tener material cortado para crear producto terminado. Un producto terminado sería una pieza que cumple especificaciones de dibujos de ingeniería o planos.

Por ejemplo, una pieza puede requerir diámetro exterior específico. Un torno es herramienta de máquina que puede crear ese diámetro rotando pieza metálica para que herramienta de corte quite metal, creando superficie lisa y redonda que coincida con diámetro y acabado requeridos.

Un taladro puede usarse para remover metal en forma de agujero cilíndrico. Otras herramientas para varios tipos de remoción de metal: fresadoras, sierras, rectificadoras. Muchas de estas técnicas se usan en carpintería.

Técnicas avanzadas recientes incluyen mecanizado CNC de precisión, electroerosión (EDM), mecanizado electroquímico (ECM), corte láser, o corte por chorro de agua para dar forma a piezas metálicas.

En desarrollo de productos moderno, el mecanizado se hace a menudo usando máquina CNC (Control Numérico Computarizado). En esencia, la máquina usa software para tomar modelos CAD y mapear trayectorias de herramienta, convirtiendo diseños en piezas mecanizadas 3D. La CNC puede crear piezas de amplia variedad de materiales, en varios tipos de acabados, con tolerancias al 0.001" (0.025 mm) desde material sólido.

A diferencia de prototipado rápido, las piezas se mecanizan con materiales reales reflejando densidad, acabado y porosidad del diseño final. Piezas mecanizadas pueden usarse para pruebas representativas, modelos con componentes deslizantes donde la fricción es factor, y componentes sellados requiriendo anillos O y superficies de junta.

Ahora que sabemos qué es el mecanizado y cómo se hace, sabemos que se hace con herramientas de mecanizado, así que aprendamos sobre diferentes herramientas y sus usos.

¿Qué es una Herramienta de Mecanizado (Machine Tool)?

Una herramienta de máquina es una máquina para manejar o mecanizar metal u otros materiales rígidos, usualmente por corte, mandrinado, rectificado, cizallado u otras formas de deformación. Las herramientas de máquina emplean algún tipo de herramienta que hace el corte o conformado.

Todas las herramientas de máquina tienen medios para sujetar la pieza y proporcionan movimiento guiado de las partes de la máquina. Así, el movimiento relativo entre la pieza y la herramienta de corte (llamado trayectoria de herramienta o toolpath) es controlado o restringido por la máquina al menos en cierta medida, en lugar de ser totalmente "a mano alzada".

Es una máquina de corte de metal accionada por energía que asiste en gestionar el movimiento relativo necesario entre la herramienta de corte y el trabajo que cambia el tamaño y forma del material.

La definición precisa de herramienta de máquina varía entre usuarios. Aunque todas las herramientas de máquina son "máquinas que ayudan a la gente a hacer cosas", no todas las máquinas de fábrica son herramientas de máquina.

Hoy las herramientas de máquina se accionan típicamente no por músculo humano (eléctricamente, hidráulicamente, o vía eje de línea), usadas para fabricar piezas (componentes) de varias formas incluyendo corte u otros tipos de deformación. Con su precisión inherente, las herramientas de máquina permitieron producción económica de piezas intercambiables.

Diferentes Tipos de Herramientas y Tecnologías de Mecanizado

Tipos de Herramientas de Mecanizado

Hay muchos tipos de herramientas de mecanizado, usadas solas o en conjunto con otras en varios pasos del proceso de fabricación para lograr la geometría de pieza deseada. Las categorías principales son:

• Herramientas de mandrinado (Boring tools): Típicamente usadas como equipo de acabado para agrandar agujeros previamente cortados en el material.
• Herramientas de corte (Cutting tools): Dispositivos como sierras y cizallas son ejemplos típicos. A menudo usadas para cortar material con dimensiones predeterminadas, como chapa, en forma deseada.
• Herramientas de taladrado (Drilling tools): Categoría de dispositivos rotativos de dos filos que crean agujeros redondos paralelos al eje de rotación.
• Herramientas de rectificado (Grinding tools): Instrumentos que aplican rueda rotativa para lograr acabado fino o cortes ligeros en pieza.
• Herramientas de fresado (Milling tools): Emplean superficie de corte rotativa con varias cuchillas para crear agujeros no circulares o cortar diseños únicos del material.
• Herramientas de torneado (Turning tools): Rotan la pieza en su eje mientras una herramienta de corte le da forma. Tornos son el tipo más común de equipo de torneado.

Tecnologías de Mecanizado por Quemado (Burning Machining Technologies)

Las herramientas de máquina de soldadura y quemado usan calor para dar forma a la pieza. Los tipos más comunes incluyen:

• Corte láser (Laser cutting): Máquina láser emite haz estrecho de alta energía que funde, vaporiza o quema material. Láseres CO2 y Nd:YAG son los más comunes en mecanizado. Proceso adecuado para dar forma a acero o grabar patrones. Beneficios: acabados superficiales de alta calidad y precisión extrema de corte.
• Corte oxicombustible (Oxy-fuel cutting): También llamado corte por gas, usa mezcla de gases combustibles y oxígeno para fundir y cortar material. Acetileno, gasolina, hidrógeno y propano sirven como medios gaseosos por su alta inflamabilidad. Beneficios: alta portabilidad, baja dependencia de fuentes de energía primaria, capacidad de cortar materiales gruesos o duros como aceros resistentes.
• Corte por plasma (Plasma cutting): Antorchas de plasma disparan arco eléctrico para transformar gas inerte en plasma. Este alcanza temperaturas extremadamente elevadas y se aplica a la pieza a alta velocidad para fundir material no deseado. Proceso usado a menudo en metales conductores eléctricos que requieren ancho de corte preciso y tiempo mínimo de preparación.

Tecnologías de Mecanizado por Erosión (Erosion Machining Technologies)

Mientras las herramientas de quemado aplican calor para fundir exceso de material, los dispositivos de mecanizado por erosión usan agua o electricidad para erosionar material de la pieza. Los dos tipos principales son:

• Corte por chorro de agua (Water jet cutting): Usa chorro de agua a alta presión para cortar material. Polvo abrasivo puede añadirse al chorro para facilitar erosión. Típicamente usado en materiales que pueden sufrir daño o deformación por zona afectada por calor.
• Electroerosión (EDM): También llamada mecanizado por chispa, usa descargas de arco eléctrico para crear micro-cráteres que resultan rápidamente en cortes completos. EDM se usa en aplicaciones requiriendo formas geométricas complejas en materiales duros y tolerancias cerradas. Requiere material base conductor eléctrico, limitando su uso a aleaciones ferrosas.

Mecanizado CNC

El mecanizado por control numérico computarizado (CNC) es una técnica asistida por computadora que puede usarse con amplia gama de equipos. Requiere software y programación, usualmente en lenguaje G-code, para guiar una herramienta de mecanizado conformando la pieza según parámetros preestablecidos.

A diferencia de métodos guiados manualmente, el mecanizado CNC es un proceso automatizado. Algunos beneficios:

• Altos ciclos de producción: Una vez codificada correctamente, la máquina CNC usualmente necesita mantenimiento o tiempo muerto mínimo, permitiendo mayor tasa de producción.
• Bajos costos de fabricación: Por su velocidad de rotación y bajos requerimientos de mano de obra manual, el mecanizado CNC puede ser rentable, especialmente para producciones de alto volumen.
• Producción uniforme: El mecanizado CNC es típicamente preciso y produce alto nivel de consistencia de diseño entre sus productos.

Mecanizado de Precisión (Precision Machining)

Cualquier proceso de mecanizado que requiera tolerancias de corte inusualmente pequeñas (entre 0.013 mm y 0.0005 mm, como regla general) o acabados superficiales más finos que 32T puede considerarse mecanizado de precisión. Como el mecanizado CNC, el de precisión puede aplicarse a amplia gama de métodos y herramientas de fabricación.

Factores como rigidez, amortiguación y precisión geométrica pueden influir en la exactitud del corte de una herramienta de precisión. Control de movimiento y capacidad de la máquina para responder a tasas de avance rápidas también son importantes en aplicaciones de mecanizado de precisión.

¿Cuáles son los Beneficios del Mecanizado?

Hay varias ventajas del mecanizado:

1. Fiabilidad

El proceso de mecanizado ocurre continuamente sin averías sin importar la hora o día de la semana. Las virutas y materias primas se convierten en productos terminados liberados al mercado como herramientas de alta calidad. Las averías son mínimas, ocurriendo solo cuando se requiere mantenimiento o durante reparación. Las máquinas trabajan confiablemente; no importa si es día laborable, fin de semana o festivo.

2. Requiere Menos Mano de Obra Humana

Debido al desarrollo tecnológico, el mecanizado en industrias manufactureras está automatizado. El proceso es controlado principalmente por computadoras o robots que suelen reducir costos de producción eliminando mano de obra humana. Durante adición controlada de material, el proceso requiere supervisión mínima para mantenimiento.

3. Alta Producción

El proceso genera alta productividad porque generalmente hacen gran cantidad de trabajo como taladrado, mejor acabado superficial, fresado y torneado en período relativamente corto.

4. Productos Idénticos

Los productos terminados, como metales cortados, son homogéneos y tienen muy pocos o ningún error a pesar de alta tasa de producción. Como resultado, los productos se vuelven comercializables por su calidad mejorada.

5. Aumenta Ganancias y Reduce Esfuerzos

Otra gran razón para mecanizar tus dispositivos metálicos es ayudar a aumentar ganancias y reducir esfuerzos. Algunos se preguntan, ¿cómo se relaciona el mecanizado con mayores ganancias? El hecho es que el mecanizado hace dispositivos un poco más caros, pero por otro lado es muy beneficioso.

Con metal que ha pasado por mecanizado, no solo reducirás costo de producción, sino que también ahorrarás mucho tiempo y esfuerzo. A pesar de esta ventaja, siempre es aconsejable verificar si la máquina es correcta y libre de errores al trabajar.

6. Eficiencia Mejorada

El mecanizado es una de las mejores formas de aumentar eficiencia en tus metales. Al mecanizar, siempre vienen equipados con detectores internos de aseguramiento de calidad. Esto trae mucha eficiencia en términos de aumentar velocidad de producción y asegurar buen uso de materias primas.

Más aún, el mecanizado se considera forma notable de asegurar altos estándares de metalurgia y fabricación de piezas. Además de mayor eficiencia, se considera una forma de reducir costos de gasto. Esto por su capacidad de reducir costo de consumo; por tanto, reduciendo desperdicio de dinero. En resumen, reduce gasto; así, sumando a beneficios del proceso de mecanizado.

7. Precisión Aumentada

La mayoría de metales que pasan por mecanizado se usan en industrias manufactureras. Esto incluye lugares que requieren procesos manuales de torneado y fresado. También pueden usarse en sector sanitario, pero el punto es que todos estos sectores involucran mucha precisión.

Por esto, recurren a metales mecanizados por su nivel de precisión. Es evidencia clara de cómo el mecanizado es esencial para asegurar mayor precisión en tus metales, lo que se traduce en precisión al completar tus tareas.