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WO2015044490A1 - Procedimiento, maquina y herramientas de corte para mecanizado continuo - Google Patents

Procedimiento, maquina y herramientas de corte para mecanizado continuo Download PDF

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Publication number
WO2015044490A1
WO2015044490A1 PCT/ES2014/070724 ES2014070724W WO2015044490A1 WO 2015044490 A1 WO2015044490 A1 WO 2015044490A1 ES 2014070724 W ES2014070724 W ES 2014070724W WO 2015044490 A1 WO2015044490 A1 WO 2015044490A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tool
cutting
machining
machine
edges
Prior art date
Application number
PCT/ES2014/070724
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jose Antonio Fernandez Garcia
Original Assignee
Jose Antonio Fernandez Garcia
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from ES201331398A external-priority patent/ES2534733B1/es
Priority claimed from ES201331496A external-priority patent/ES2535561B1/es
Application filed by Jose Antonio Fernandez Garcia filed Critical Jose Antonio Fernandez Garcia
Priority to EP14847240.0A priority Critical patent/EP3061563A4/en
Publication of WO2015044490A1 publication Critical patent/WO2015044490A1/es

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q15/00—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work
    • B23Q15/007—Automatic control or regulation of feed movement, cutting velocity or position of tool or work while the tool acts upon the workpiece
    • B23Q15/14—Control or regulation of the orientation of the tool with respect to the work
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/19—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by positioning or contouring control systems, e.g. to control position from one programmed point to another or to control movement along a programmed continuous path
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/416—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by control of velocity, acceleration or deceleration

Definitions

  • the present invention relates to a mechanized process of metals and other materials in the milling machining centers and other machine tools.
  • the present invention also relates to a machine tool for the execution of this process and in which cutting tools are mounted that start the chip in continuous cutting.
  • the present invention relates to a single cutting tool that has multiple teeth, each with one or more cutting edges fixed thereto. It involves multiple positional edges (ie, the continuous machining is done with a single cutting edge chosen and positioned for machining, at some point of machining, or when switching to another machining operation, you can choose to position another of the edges of cutting quickly without need of tool change), and of application in the machine and process objects of the present invention.
  • the present invention relates to a single cutting tool that has a single tooth with one or two cutting edges in it, and for application in the machine and process objects of the present invention.
  • the trajectories that the tool must carry out in order to achieve the desired geometry in the part are programmed.
  • the computer of the machine together with the necessary electronics, manages the movements of the cars (controlled axes) by electric motors.
  • the trajectories of the tool can not be programmed in the CNC of the machine, but calculated by programs of computer-aided manufacturing (CAM) from the computer-aided design (CAD) of the piece and transferred to the CNC machine.
  • CAM computer-aided manufacturing
  • CAD computer-aided design
  • the CNC has the ISO G41, G42 and G43 functions, left tool radius compensation, right tool radius compensation and tool length compensation. This functions "G" the CNC and the CAM take them into consideration for the calculation of the trajectory of the tool axis.
  • the machining of prismatic parts and complex surfaces is based on the machining by milling; turning of the cutting tool and relative displacement of the workpiece; displacement in one, two, three or more axes (displacements in the cartesian coordinates and turns of piece / head of the machine).
  • the tool has one or multiple cutting edges and the machining is discontinuous.
  • the speed of rotation of the tool is a function of its diameter and the cutting speed, and this, mainly, depending on the material of the tool and the material of the piece.
  • the speed of movement of the tool (feedrate, mm / min) is the product of the advance per cutting edge (mm / z) number of teeth (Z) and speed of rotation of the tool (rpm).
  • the discontinuous cutting of the milling machine, and the machines with rotary tools in general, have lower performance than the continuous cutting of the lathe.
  • each tooth of the tool cuts portions of shavings;
  • the cutting starts or it is finished with zero thickness, with the consequent problem of efforts on the machine and the tool, deformations of the piece and tool and wear of the tool.
  • the path of the cutting edges in the milling tool is approximately circular (cyclic curve) and tangent to the surface of the workpiece. For large or medium advances the surface quality is low.
  • N 1000 * Ve / n * D (revolutions of the tool)
  • Az Advance / tooth (mm / Z)
  • Vc Cutting speed (m / min)
  • the cutting tools of machine tools for machining there are now many types of cutting tools for the machining of metals and other materials. Most of them are the evolution of the classic carbon steel tools that the craftsman forged.
  • the cutting tools can be classified into two large groups according to the way of working, unique cutting tools used mainly in the lathe and planer, and rotary tools of multiple cutting used mainly in the milling machining centers and lathes with motorized tool .
  • the current machining tool machines have multiple interchangeable tools by programming to address the different machining operations, in the turret in the case of the lathe and in the tool store in the case of machining centers, tool changes, especially in milling machine, they generate a representative unproductive time.
  • tool changes especially in milling machine, they generate a representative unproductive time.
  • the tool In order to change the tool, it is necessary that the tool is in the magazine, logically occupying a position of the magazine.
  • the multiple edges of the tool are constructed or arranged so that the set of teeth or edges form a generator of rotation with respect to the axis of the tool with which it is machined, the material start is produced by the rotation of the tool.
  • the object of the present invention is a new machining process in machine tools.
  • the process object of the invention consists in the machining of surfaces by continuous brushing.
  • the edge of the tool describes the straight or curved trajectories, according to the geometry of the piece, and is always perpendicular to the trajectory that it carries out, and even perpendicular to the surface to be machined if the machine has controlled axes for the orientation of the tool.
  • machining is taken as reference and application in the milling machine, although the machining process object of this invention can be applicable to other machines that work with rotary cutting tools, such as lathes with motorized tools.
  • the tool / piece relative movement is carried out in such a way that the cutting edge of the tool describes the trajectories necessary for machining the part;
  • the cutting edge of the tool, during machining, is always in contact with the part.
  • the CNC of the machine together with the electronics and motors, they manage the movement of the trucks (axes) of the machine so that the edge of the tool describes the cutting trajectories, and in its movement starts the excess material thus forming the piece.
  • the edge of the tool remains in contact with the piece, so the chip cutting is continuous.
  • machining geometries programming can be carried out in the CNC of the machine.
  • Functions G41, G42, and G43 of the CNC are applicable for the calculation of tool center trajectories.
  • the tool trajectories are calculated and the coordinates of the points through which the tool must be moved are transmitted to the machine.
  • the CAM performs the calculation of the trajectories just as it does for conventional CNC milling, but also the CAM will calculate the turn to be given to the tool so that it is maintained at all times perpendicular to the trajectory to be made.
  • the CAM calculates the turns to be made in one or more axes that orient the tool so that the edge of the tool remains normal to the surface to be machined.
  • the simplest machining strategy would be the one necessary for the realization of a chamfer or radius of a straight edge; in this case the tool will describe a movement according to a straight path in the position according to the shape to be machined with the speed of travel (advance) according to the material to be machined and material of the tool.
  • the edge to round or chamfer can be any line ( Figure 6).
  • the same anterior flat surface can be machined by a flat spiral curve path ( Figures 10 and 11) (indistinctly from inside to outside than from outside to inside).
  • the CNC of the machine or the CAM program will calculate the path to be described by the tool (step spiral Az) as well as the simultaneous rotation of the tool so that it is always perpendicular to the path it is describing and cutting the chip in continuous cut.
  • the CAM will calculate for each angle and radius (calculation by polar coordinates) the third coordinate on the surface of the piece to be machined. The calculation can be made with increments of angle, and each 360 ° increase of radius, (circular path) or with increments of angle and radius simultaneously (spiral path).
  • Another machining strategy of the present invention is that necessary for the machining by planing of corrugated surfaces ( Figure 8).
  • the trajectory calculation is performed with the CAM.
  • the CAM calculates the intersection curves of parallel planes separated "Az" with the surface of the piece, obtaining on the planes the trajectories that the tool must carry out. These calculated trajectories are sent to the CNC machine to manage the necessary movements of the axes.
  • a strategy similar to the previous one is that necessary for the machining of complex surfaces such as that of Figures 9 and 12.
  • the tool always keeps in contact the cutting edge with the piece, the direction of the advance movement of the cutting edge of the tool is at all times that of the trajectory to be machined, the cutting is continuous, the speed of movement (advance) is much higher; which improves the surface quality and machining time is greatly reduced in those light machining or finishing where the geometry of the piece and the tool allows its use.
  • the cutting edge of the tool is in contact at all times with the piece, the cutting speed is the speed of movement of the tool with respect to the piece; the cutting speed is expressed in m / min; The speed of movement of the tool with respect to the piece is the advance. So that:
  • the advance of machining with the method of the present invention is about one hundred times (100) that of conventional milling.
  • straight, circular trajectories can be made, machining flat and corrugated surfaces in machines with three co-ordinate axes ( ⁇ , ⁇ , ⁇ ). It is essential that the machine has control over the angular position of the tool, that it is a controlled shaft.
  • the cutting is continuous, whereby a good surface finish can be obtained.
  • the tool For an optimum surface finish of the piece, the tool must occupy a position always perpendicular to the surface to be machined at the point of contact of the edge with the piece.
  • the CAM In addition to calculating the path of the edge of the tool and the calculation of the angular orientation of the tool, must perform the calculations of the turns of the fourth and fifth axis so that the cutting edge of the tool is at all times perpendicular to the surface to be machined. It is contemplated that for the machining by brushing other strategies are available, such as 3D spiral brushing.
  • a cutting tool for metals and other materials in the milling machine that starts the material continuously through a single cutting edge or edge and has several edges that can be selected by machine programming.
  • Each tooth of the tool (with one or more edges or edges) will have the appropriate angles depending on the material to be machined and the type of operation to be carried out; to execute the process object of the present invention (more described above), the tool maintains the relative orientation with the surface to be machined, thus not changing the cutting angles during machining.
  • Two or more cutting teeth are available in the body of the tool, teeth that can be at different heights, at different distances from the axis of rotation, teeth in which the edges and cutting surfaces can have different angles and / or radii tip breaking chips or other distinguishing features between teeth.
  • each tooth is different or specific.
  • each tooth will preferably have different cutting characteristics or operation type; so, for example, an edge or edge tooth will have a geometry for slabs and another tooth, edge or edge will have a geometry for finished, one tooth can perform planned operations and another one of grooving.
  • the tool body has several teeth (with their respective cutting edges) that behave as different selectable single-cut tools.
  • the change of tooth (tool) is done by the positional rotation of the machine axis in which it is housed, so the change is instantaneous; in the body of a tool we have several unique cutting tools that only occupy a position in the turret or in the tool carousel.
  • This tool can have an angular positioning element for its attachment to the screw or head of the machine tool.
  • This angular positioning element can be, for example, an HSK lashing, ISO or WELDON cone or equivalent according to the state of the art that guarantees the spatial and angular position of the tool with respect to the spindle of the machine tool.
  • the object of the present invention is also a basic neutral brushing tool composed of a rod (101) joined to a body (104) which has a single tooth (120), which can have a single edge (110) or edge of cutting, or two cutting edges (110 ', 110 ").
  • the rod (101) is anchored to an angular positioner element (103) mooring to the head or spindle of the machine tool.
  • a meeting radius or a facet or both is available. This meeting between both edges occurs in the axis of rotation of the head or screw of the machine. With the double edge on the same tooth you can work both right and left.
  • This tool is capable of machining at the same time as rotating when turning the spindle of the machine in which it is housed.
  • this basic tool has a single cutting edge, it will be centered (or very close) to a plane that contains the axis of rotation of the head or screw of the machine. In this way very low torques are achieved on the tool, and the machine head can be easily oriented, continuously, so that the tool is kept at all times perpendicular to the path to be machined as described in the procedure object of the present invention.
  • This tool is ideal for the execution of different cutting geometries in which, for example, very positive detachment angles can be obtained.
  • the first tool object of the invention described above is a variant of the basic tool also object of the present invention, in which additional teeth have been added to the body with a single edge each tooth to the basic tool.
  • the angular positioning element (103) will allow the machining in continuous cutting (brushing) and machining as a rotary tool (milling) at the same time that the spindle of the machine in which it is alloyed turns.
  • Figure 1 representation of the machining in a lathe of a piece according to the current technique.
  • Figure 2 representation of the one-piece milling machining according to the current state of the art.
  • Figure 3 representation of the machining by contouring of a piece by milling the current state of the art with a rotary tool of three teeth in a conventional CNC milling.
  • Figure 4 representation of the contouring of a piece with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention.
  • Figure 5 representation of the contouring of a piece with a tool with multiple cutting edges according to the machining process object of the present invention.
  • Figure 6 representation of the rounded or chamfering of a curved edge of a piece with a tool of a single cutting edge with a positioning element according to the machining process object of the present invention.
  • Figure 7 representation of the planarization of an inclined surface of a piece with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention.
  • Figure 8 representation of the planing of a corrugated surface of a piece with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention, with a zig-zag strategy.
  • Figure 9 representation of the planarization of a complex one-piece surface with a single-edged cutting tool according to the machining process object of the present invention.
  • Figure 10 representation of the machining of a surface of a piece with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention with a square spiral strategy.
  • Figure 11 representation of the machining of a surface of a piece with a tool of a single cutting edge according to the machining process object of the present invention with a spiral strategy of Arquimedes.
  • Figure 12 representation of the machining of an irregular surface of a piece with a tool of a single cutting edge according to the machining process object of the present invention with a flat strategy in Z.
  • Figure 13 view of a cross section of the body of a tool object of the present with four teeth, with each cutting edge or edges being at a different distance from the center, irregularly arranged and with different cutting angles. It is the cutting tool of figure 5.
  • Figure 14 perspective view of the multi-cutting cutting tool of figures 13 and 5.
  • Figure 15 view of a perspective of the basic tool with a tooth with two cutting edges or edges.
  • Figure 16 view of a perspective of the basic tool with a tooth with a single cutting edge or edge.
  • Figure 1 represents the machining in the lathe of a piece according to the current technique, the piece of revolution (1) rotates and thus has the cutting motion, the single cutting tool (2) moves with a speed that we call advance, It is a continuous cut.
  • Figure 2 shows the one-piece milling machining according to the current state of the art, it is a machining of a flat surface on a prismatic piece (3).
  • the rotating tool (4) rotates, with which the tool has the cutting movement;
  • the machine provides a relative movement tool-piece, movement called machining advance.
  • the combination of the rotation of the tool and the relative displacement, the tool starts portions of material.
  • Figure 3 shows the machining by contouring of a piece (5) by current milling with a rotary tool (4) of three teeth in a conventional CNC milling. The turning of the tool provides the "Ve" cutting speed.
  • the CNC calculates and controls the carriages (axes) so that the center of the tool describes the trajectory of the center of the tool (7).
  • the speed of displacement of the tool is called advance machining.
  • the cut is discontinuous.
  • Each tooth pulls a piece of material and the tool moves the feed per tooth "Az”.
  • the speed of travel, "feed” is expressed in mm / min.
  • FIG. 4 shows the contouring of a part with a single cutting edge tool according to the machining process object of the present invention, represents the realization of the contouring of a part (5) with a tool with a single cutting edge (6).
  • the vector center of the tool-cutting edge is at all times perpendicular to the path to be machined.
  • the CNC of the machine calculates the trajectory to be described in the center of the tool (line by line and point in the figure) and the rotation of the tool so that the cutting edge remains in the line of the path to be machined;
  • the electronics of the machine makes the axles turn with the necessary speeds and accelerations.
  • the material cut is continuous.
  • Figure 5 represents the contouring of a piece with a tool with multiple cutting edges, according to the machining process object of the present invention, in which only one cutting edge or edge is used.
  • the contour machining of a part (5) is schematized by the brushing process object of the present invention, in which a tool (6) with three cutting edges performs the contouring, although it uses a single edge to perform the machining by brushing in continuous cutting.
  • the CNC of the machine calculates the trajectory of the center of the tool (6) and the turn to be given to the tool so that the vector center of the cutting edge tool remains perpendicular to the trajectory to be machined.
  • the cutting movement has the edge of the tool in its movement, and coincides with the movement of a milling advance.
  • FIG. 5 a tool with three asymmetric cutting edges is represented.
  • the tool can have cutting edges for slabs and others for finishing, for example.
  • Figure 6 represents the rounded or chamfered corner of a piece with a tool a single cutting edge according to the machining process object of the present invention.
  • the machining operation consists of rounding / chamfering an edge with any geometry (8) of a part (5) with the brushing method in the milling machine object of the present invention.
  • the tool (6) has a cutting edge with the shape of the radius or shape of the encounter between the surfaces of the piece. The tool moves so that the cutting edge is always normal to the path to be machined.
  • the positioning of the tool in the machine and the precise turning of the tool is possible because the tool has a positioning element (9) in the machine.
  • the machine using motors and encoders, has control over the rotation and positioning of the spindle where the tool is housed.
  • Figure 7 shows the planning of a sloped surface of a piece with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention, with a zig-zag strategy.
  • the machining process by brushing on the milling machine of a flat one-piece inclined surface (5) is schematized.
  • the tool starts from a point (10), moves quickly towards the piece and begins to perform the machining trajectories (7).
  • the tool rotates 180 ° and makes the compensation of the radius, if it is the case, to realize a trajectory in opposite sense to the previous one.
  • the distance between trajectories is the equivalent to the advance per tooth in the milling with rotary tool.
  • Figure 8 represents the planning of a wavy one-piece surface with a single-edged cutting tool according to the machining process object of the present invention, with a zig-zag strategy.
  • the machining process by brushing on the milling machine of a one piece corrugated surface (5) is schematized.
  • the CNC calculates and controls the movement of the tool on the curved trajectories (7); at the end of each trajectory the tool rotates 180 ° and makes the compensation of the radius, if it is the case, to realize a trajectory in opposite sense to the previous one.
  • the trajectories were calculated in the longitudinal direction, although they can be transverse or in any other direction.
  • Figure 9 represents the planning of a complex one-piece surface with a tool with a single cutting edge according to the machining process object of the present invention, with a zig-zag strategy.
  • the process of machining by brushing in the milling machine of a complex one-piece surface (5) is schematized.
  • the CAM calculates the intersections of parallel planes, distant the equivalent to the displacement per milling pass, with the surface to be machined obtaining the complex curved trajectories (7);
  • the CNC manages the axes so that the edge of the tool moves along the calculated trajectories. At the end of each trajectory the tool rotates 180 ° and makes the compensation of the radius if it is the case, to realize a trajectory in opposite sense to the previous one.
  • Figure 10 represents the machining of a one-piece surface with a single-edged cutting tool according to the machining process object of the present invention, with a square spiral strategy.
  • the machining process of a one-piece surface with a strategy of rectangular spiral machining is schematized.
  • Figure 11 represents the machining of a one-piece surface with a single-edged cutting tool according to the machining process object of the present invention, with a spiral strategy of Arquimedes.
  • the machining of a surface of a piece is schematized with a spiral machining strategy of Arquimedes, which will be flat if the surface to be machined is flat and will be 3D if the surface to be machined is not flat.
  • Figure 12 represents the machining of an irregular one-piece surface with a single-edged cutting tool according to the machining process object of the present invention with a Z-flat strategy.
  • the machining of a part (5) is schematized with a surface to be machined either.
  • the CAM cuts the surface to be machined by parallel horizontal planes; the intersection of the planes with the surface to be machined gives the equivalent to the level curves (15); these curves calculated by the CAM are the trajectories that the edge of the tool will describe during the process of machining by brushing in the milling machine
  • This type of geometry shown in the figure are typical in mold designs and machining.
  • the process of machining by brushing in the milling machine can be undertaken in a machine tool of four controlled axes for the machining of 3D geometries.
  • four axes three axes for the movement of the piece plus a fourth axis for the necessary rotation for the orientation of the tool, thus achieving that the tool is at all times perpendicular to the trajectory to be machined.
  • Two axes, XY for example, control the movement of the trajectory in a plane or level; the level change is made with the third axis; the fourth axis orients the tool.
  • machining of this type of geometry can be carried out in machines with five or more axes.
  • the advantage of having more controlled axes lies in that the edge of the tool, in addition to moving perpendicular to the path, is positioned perpendicular to the surface to be machined at the point in contact. It is contemplated that the CAM can perform other trajectory calculations with other strategies, such as with planes forming any angles or varying the distance of the planes of intersection with the continuous surface, which would be something similar to a spiral in 3D.
  • this type of strategy will easily force the machine to have six controlled axes, three coordinate axes, two axes of inclination of tables and / or head and an axis of control of angular position of the tool.
  • the numerical control manages two or more axes
  • the tool affects the piece to be machined so that the vector that joins the center of the tool with the cutting edge of the tool is perpendicular to the surface to be machined at the point of contact
  • the numerical control acts on the axes so that the relative movement of the piece of equipment is tangent at all times to the surface to be machined.
  • the cut is continuous, similar to brushing but without recoil movement, the trajectories can be in a plane or they can be spatial.
  • a software of CAM or the Computerized Numerical Control (CNC) of the machine performs the necessary calculations to order the movements of the axes of the machine so that the trajectory of the edge of the tool is tangent to the surface of the piece, simultaneously
  • the CNC performs the calculations and controls the angular position of the spindle so that the tool has the correct orientation, that is, that the center vector of the tool-cutting edge is perpendicular to the trajectory to be machined.
  • the feed (speed of movement of the tool) corresponds to the cutting speed characteristic for the materials of the tool and the piece.
  • the relative speed of the displacement of the tool with respect to the piece is the advance of machining.
  • the speed of displacement is equal to the cutting speed "Ve".
  • the advance of machining with the present invention is approximately one hundred times the progress in conventional milling with a rotary tool.
  • Figures 13 and 14 show one of the cutting tools object of this invention consists of rod (201) or area of mooring with the spindle of the machine, a body (204) and teeth (220) with its cutting edges or edges (210).
  • the stem (201) will have a HSK lashing, an ISO cone, a WELDON or equivalent system that guarantees the spatial and angular position of the tool relative to the spindle of the machine.
  • the body (204) of the tool is designed and manufactured according to the type of machining with the shape and dimensions that allow access to the area to be machined and have the appropriate robustness.
  • the teeth (220) are placed with their cutting edges or edges (210) of the tool, teeth that preferentially have different geometrical characteristics to perform different machining operations. Each tooth edge or edge of the tool will behave like a unique cutting tool.
  • edges Being able to have different cutting angles (on the edges or surfaces) can be machined in different conditions or in different materials.
  • different machining operations can be carried out with the same tool, such as: contouring, surfaces, boring, grooving, threading ...
  • the possibility that the teeth (210) of the tool are in different angular position or at different distances from the axis (200) of the tool allows more possibilities for selecting machining operations without the other teeth interfering or hindering the access of the tool. tool to limited areas of space in the piece.
  • the teeth of the tool may be carved on the body (220), welded or fixed inserts or interchangeable (as in Figure 14).
  • FIGS 15 and 16 show the basic tool of neutral brushing composed of a rod (101) attached to a body (104) which has a single tooth (120), which can have a single edge (110) or edge of cutting (figure 16), or two cutting edges (110 ', 110 ") (figure 15)
  • the rod (101) is anchored to an angular positioner element (103) for attachment to the head or spindle of the machine tool.
  • the angular positioning element (103) can be a HSK lashing, ISO or WELDON cone or equivalent according to the state of the art that guarantees the spatial and angular position of the tool with respect to the spindle of the machine tool.
  • tool is designed and manufactured according to the type of machining with the shape and dimensions that allow the access to the area to be machined and have the necessary robustness for the machining and brushing work to be carried out.

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Abstract

Procedimiento, máquina y herramientas de corte para mecanizado continúo de materiales en máquinas- herramientas. En la máquina-herramienta se montan las herramientas de corte con capacidad de orientar la herramienta con respecto a la trayectoria a mecanizar. Las herramientas de corte único disponen de múltiples dientes con al menos un filo posicional. El mecanizado continuo se realiza con un único filo de corte elegido y posicionado para mecanizar; en algún momento del mecanizado, o al cambiar a otra operación de mecanizado, se puede elegir rápidamente posicionar otro de los filos de corte sin necesidad de cambiar la herramienta. El cálculo de las trayectorias y giros de los ejes de las herramientas de corte se realiza mediante un software externo a la máquina y son enviados a una máquina de control numérico (CNC) para que ordene y controle los desplazamientos de los carros y los giros de los ejes correspondientes.

Description

PROCEDIMIENTO , MAQUINA Y HERRAMIENTAS DE CORTE PARA
MECANIZADO CONTINUO
OBJETO DE LA INVENCIÓN.
La presente invención se refiere a un procedimiento mecanizado de metales y otros materiales en la fresador centros de mecanizado y otras máquinas herramientas.
La presente invención se refiere también a una máquina herramienta para la ejecución del este procedimiento y en la que se montan herramientas de corte que arrancan la viruta en corte continuo.
También, la presente invención se refiere a una herramienta de corte único que dispone de múltiples dientes, cada uno con uno o más filos de corte fijados al mismo. Se trata de múltiples filos posicionales (es decir, el mecanizado continuo se realiza con un único filo de corte elegido y posicionado para mecanizar; en algún momento del mecanizado, o al cambiar a otra operación de mecanizado, se puede elegir posicionar otro de los filos de corte de forma rápida sin necesidad de cambio de la herramienta) , y de aplicación en la máquina y procedimiento objetos de la presente invención.
Por último, la presente invención se refiere a una herramienta de corte único que dispone de un único diente con uno o dos filos de corte en el mismo, y de aplicación en la máquina y procedimiento objetos de la presente invención . ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
En la actualidad hay infinidad de tipos de máquinas herramientas para el mecanizado de metales y otros materiales. La mayoría de ellas son la evolución y la combinación de dos tipos de máquinas convencionales, torno y fresadora, a máquinas con tecnología Control Numérico (CNC) ; el torno con movimiento rotativo de la pieza a fabricar y corte continuo, y la fresadora con movimiento rotativo de la herramienta sobre la pieza con corte discontinuo. Otra máquina en desuso es la cepilladora, con movimiento lineal alternativo; En esta máquina en el retroceso la herramienta no arranca material, por lo que el retroceso es un movimiento improductivo .
En las máquinas de CNC se programan las trayectorias que debe realizar la herramienta para conseguir la geometría deseada en la pieza. El ordenador de la máquina, junto con la electrónica necesaria, gestiona los movimientos de los carros (ejes controlados) mediante los motores eléctricos . Las trayectorias de la herramienta pueden no ser programadas en el CNC de la máquina, sino calculadas por programas de fabricación asistida por ordenador (CAM) a partir del diseño asistido por ordenador (CAD) de la pieza y transferidas a la máquina de CNC. Será nuevamente la electrónica de la máquina (placas electrónicas, autómatas, variadores de velocidad, regletas, encoders...) la que controlen las velocidades y aceleraciones de los motores para conseguir la trayectoria calculada por el CAM y obtener la geometría deseada en la pieza.
En los CNC se dispone de las funciones ISO G41, G42 y G43, compensación de radio de herramienta a izquierda, compensación de radio de herramienta a derechas y compensación de longitud de la herramienta. Esta funciones "G" el CNC y el CAM las tienen en consideración para el cálculo de la trayectoria del eje de la herramienta.
Actualmente el mecanizado de piezas prismáticas y superficies complejas se basa en el mecanizado por fresado; giro de la herramienta de corte y desplazamiento relativo pieza-herramienta; desplazamiento en uno, dos, tres o más ejes (desplazamientos en las coordenadas cartesianas y giros de pieza/cabezal de la máquina) . La herramienta tiene una o múltiples aristas de cortes y el mecanizado es discontinuo. La velocidad de rotación de la herramienta está en función de su diámetro y de la velocidad de corte, y ésta, principalmente, en función del material de la herramienta y del material de la pieza. La velocidad de desplazamiento de la herramienta (avance, mm/min) es el producto del avance por arista de corte (mm/z) número de dientes (Z) y velocidad de rotación de la herramienta (rpm) .
El corte discontinuo de la fresadora, y las máquinas con herramientas rotativas en general, tiene menor rendimiento que el corte continuo del torno. En el corte discontinuo cada diente de la herramienta corta porciones de viruta; en la formación de la viruta discontinua el corte se inicia o bien se finaliza con espesor cero, con la consiguiente problemática de esfuerzos sobre la máquina y la herramienta, deformaciones de la pieza y herramienta y desgastes de la herramienta. La trayectoria de las aristas de corte en la herramienta de fresado es aproximadamente circular (curva cíclica) y tangente a la superficie de la pieza a mecanizar. Para avances grandes o medianos la calidad superficial es baja.
En los tratados de máquinas herramientas, así como en los prontuarios de máquinas se describen los conceptos de avance, velocidad de corte. La velocidad relativa pieza- herramienta se le denomina avance. En los prontuarios encontramos la ecuación que determina el avance de la herramienta en función de las variables que le afecta, así :
Avance = Az * Z * N (mm/min) Donde :
N = 1000 * Ve / n * D (revoluciones de La herramienta) Az= Avance /diente (mm/Z)
Z= número de dientes de la herramienta (Z)
Vc= Velocidad de corte (m/min)
D=diámetro exterior de la herramienta (mm) Así, a modo de ejemplo, para unos valores tipo de: Az = 0,1; Z = 4; D = 14
Aplicando las fórmulas anteriores: Avance ¾ 9,1 * Ve (mm/min)
En cuanto a las herramientas de corte de las máquinas herramientas para mecanizado, en la actualidad hay infinidad de tipos de herramientas de corte para el mecanizado de metales y otros materiales. La mayoría de ellas son la evolución de las clásicas herramientas de acero al carbono que el artesano forjaba. Las herramientas de corte se pueden clasificar en dos grandes grupos atendiendo a la forma de trabajar, herramientas de corte único empleadas principalmente en el torno y la cepilladora, y herramientas rotativas de corte múltiple usadas principalmente en la fresadora centros de mecanizado y tornos con herramienta motorizada. Actualmente no siempre es fácil distinguir entre torno y fresadora, nos encontramos con máquinas que combinan las dos formas de trabajar; en cualquier caso, independientemente de la máquina, se dice que se tornea cuando la pieza gira y una herramienta con una arista o filo de corte se desplaza arrancando viruta (corte continuo) , y se dice que se fresa cuando la herramienta, con uno o varios filos de corte, está girando respecto de su eje y se produce un movimiento relativo entre la pieza (corte discontinuo) .
Las máquinas herramienta de mecanizado actuales disponen de múltiples herramientas intercambiables por programación para abordar las distintas operaciones de mecanizado, en la torreta en el caso del torno y en el almacén de herramientas en el caso de los centros de mecanizado, los cambios de herramienta, especialmente en fresadora, generan un tiempo improductivo representativo. Para poder cambiar de herramienta es necesario que la herramienta se encuentre en el cargador, lógicamente ocupando una posición del cargador. En la fresadora y centros de mecanizado los filos múltiples de la herramienta está construidos o dispuestos de forma que el conjunto de dientes o filos configuran una generatriz de giro respecto del eje de la herramienta con la que se mecaniza, el arranque de material se produce por la rotación de la herramienta.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
El objeto de la presente invención es un nuevo procedimiento de mecanizado en máquinas herramientas.
El procedimiento objeto de la invención consiste en el mecanizado de superficies por cepillado en continuo. La arista de corte la herramienta describe las trayectorias rectas o curvas, según la geometría de la pieza, y se mantiene siempre perpendicular a la trayectoria que realiza, e incluso puede que perpendicular a la superficie a mecanizar si la máquina dispone de ejes controlados para la orientación de la herramienta. Para una fácil interpretación se toma como referencia y aplicación el mecanizado en la fresadora, si bien el procedimiento de mecanizado objeto de esta invención puede ser aplicable a otras máquinas que trabajan con herramientas de corte rotativas, como por ejemplo tornos con herramientas motorizadas.
En la presente invención, el movimiento relativo herramienta/pieza se realiza de tal forma que la arista de corte de la herramienta describe las trayectorias necesarias para el mecanizado de la pieza; la arista de corte de la herramienta, durante el mecanizado, está siempre en contacto con la pieza. El CNC de la máquina, junto con la electrónica y los motores, gestionan el movimiento de los carros (ejes) de la máquina para que la arista de la herramienta describa las trayectorias de corte, y en su movimiento arranque el material sobrante conformando asi la pieza. La arista de la herramienta se mantiene en contacto con la pieza, por lo que el corte de viruta es continuo.
Para geometrías de mecanizado sencillas se puede realizar la programación en el CNC de la máquina. Las funciones G41, G42, y G43 del CNC son de aplicación para el cálculo de las trayectorias del centro de la herramienta. Para geometrías de mecanizado complejas con un CAM se calculan lar trayectorias de la herramienta y se transmite a la máquina las coordenadas de los puntos por los que se debe desplazar la herramienta. En el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, el CAM realiza el cálculo de las trayectorias al igual que lo hace para el fresado en CNC convencional, pero además el CAM calculará el giro a dar a la herramienta para que se mantenga en todo momento perpendicular a la trayectoria a realizar. En máquinas de cinco o más ejes se contempla que el CAM realice el cálculo de los giros a dar en uno o más ejes que orientan la herramienta para que el filo de la herramienta se mantenga normal a la superficie a mecanizar .
Al realizar el mecanizado por cepillado con una herramienta colocada en el husillo principal de la fresadora, se podrá poner a girar el husillo, y la herramienta de cepillado pasará a trabajar como una herramienta rotativa. El paso de cepillado a fresado se puede realizar en cualquier momento desde el mismo programa de CNC, por lo que en el mecanizado de una pieza se puede pasar del fresado al cepillado y viceversa las veces que interese. Se prevé que el fresado cepillado en la fresadora (y otras máquinas con herramientas rotativas) disponga de distintas estrategias de mecanizado. La estrategia de mecanizado más simple seria la necesaria para la realización de un chaflán o radio de una arista recta; en este caso la herramienta describirá un movimiento según una trayectoria recta en la posición según la forma a mecanizar con la velocidad de desplazamiento (avance) según el material a mecanizar y material de la herramienta. Asi mismo la arista a redondear o achaflanar podrá ser una linea cualquiera (Figura 6) .
Otra estrategia es el mecanizado de una superficie plana por zig-zag (Figura 7) . La herramienta describe una trayectoria recta hasta el final del recorrido, en esa posición el CNC ordena el giro de 180° de la herramienta y se inicia la trayectoria recta de retorno desfasada el equivalente al avance por diente (Az) del fresado convencional . En los mecanizados en zig-zag la herramienta debe tener dos aristas de corte, si las aristas de corte están muy cercanas al centro de la herramienta (diámetro de corte pequeño y mecanizado en punta de la herramienta) se podrá trabajar sin compensación de radio de la herramienta. Cuando la herramienta tiene un diámetro significativo el CNC o el CAM trabajará con compensación de radio de la herramienta, y la compensación de radio a izquierdas G41 o a derechas G42 cambiará en cada sentido de la trayectoria .
La misma superficie plana anterior se puede mecanizar mediante una trayectoria de curva en espiral plana (Figuras 10 y 11) (indistintamente de dentro a fuera que de fuera hacia dentro) . Para ello, bien el CNC de la máquina o bien el programa CAM calculará la trayectoria a describir por la herramienta (espiral de paso Az) asi como el giro simultaneo de la herramienta para que ésta se encuentre siempre perpendicular a la trayectoria que está describiendo y arrancando la viruta en corte continuo . En el mecanizado en espiral 3D, el CAM calculará para cada ángulo y radio (cálculo por coordenadas polares) la tercera coordenada en la superficie de la pieza a mecanizar. El cálculo se puede realizar con incrementos de ángulo, y cada 360° incremento de radio, (trayectoria circular) o bien con incrementos de ángulo y radio simultáneamente (trayectoria en espiral) .
Otra estrategia de mecanizado de la presente invención es la necesaria para el mecanizado por cepillado de superficies onduladas (figura 8) . Preferiblemente el cálculo de trayectorias se realiza con el CAM. El CAM calcula las curvas de intersección de planos paralelos separados "Az" con la superficie de la pieza, obteniendo sobre los planos las trayectorias que debe realizar la herramienta. Esas trayectorias calculadas son enviadas a la máquina CNC para que gestione los movimientos necesarios de los ejes. Una estrategia parecida a la anterior es la necesaria para el mecanizado de superficies complejas como la de la Figuras 9 y 12. Con la presente invención la herramienta mantiene siempre en contacto la arista de corte con la pieza, la dirección del movimiento de avance del filo de la herramienta es en todo momento el de la trayectoria a mecanizar, el corte es continuo, la velocidad de desplazamiento (avance) es mucho mayor; con lo que se mejora la calidad superficial y el tiempo de mecanizado se reduce enormemente en aquellos mecanizados ligeros o de acabados donde la geometría de la pieza y de la herramienta permita su utilización .
La arista de corte de la herramienta está en contacto en todo momento con la pieza, la velocidad de corte es la velocidad de desplazamiento de la herramienta con respecto a la pieza; la velocidad de corte se expresa en m/min; la velocidad de desplazamiento de la herramienta con respecto a la pieza es el avance. Así pues:
Avance = 1000 * Ve (mm/min)
Anteriormente vimos que en el fresado el avance es, aproximadamente, de 9,1 * Ve.
Así pues, para cargas ligeras de mecanizado, y si la estructura y motores de la máquina lo permiten, el avance de mecanizado con el procedimiento de la presente invención es de aproximadamente cien veces (100) el de fresado convencional. Con el procedimiento de mecanizado de la presente invención se pueden realizar trayectorias rectas, circulares, mecanizar superficies planas y onduladas en máquinas de tres ejes coordenados (Χ,Υ,Ζ) . Es imprescindible que la máquina tenga control sobre la posición angular de la herramienta, que se trate de un eje controlado.
En máquinas con cinco o más ejes controlados, además del imprescindible posicionado angular de la herramienta, mediante un potente programa de CAM es posible el mecanizado por cepillado de superficies complejas. En estas máquinas es posible orientar la herramienta perpendicular a la superficie a mecanizar, por lo que la calidad superficial es muy alta y el mecanizado se realiza en mucho menor tiempo que con los otros procedimientos de mecanizado.
En el procedimiento de mecanizado de la presente invención, el corte es continuo, con lo que se puede obtener un buen acabado superficial. Para un óptimo acabado superficial de la pieza la herramienta debe ocupar una posición siempre perpendicular a la superficie a mecanizar en el punto de contacto del filo con la pieza. Para el mecanizado de la pieza de la figura 9 con estas premisas, el CAM, además de calcular la trayectoria de la arista de la herramienta y del cálculo de la orientación angular de la herramienta, debe realizar los cálculos de los giros del cuarto y quinto eje para que la arista de corte de la herramienta se encuentre en todo momento perpendicular a la superficie a mecanizar. Se contempla que para el mecanizado por cepillado se dispongan de otras estrategias, como puede ser el cepillado en espiral 3D. También es objeto de la presente invención una herramienta de corte para metales y otros materiales en la fresadora que arranca el material de forma continua mediante un único filo o arista de corte y que dispone de varias aristas que se podrán seleccionar por programación de máquina. Cada diente de la herramienta (con uno o más filos o aristas) tendrá los ángulos apropiados en función del material a mecanizar y del tipo de operación a realizar; para ejecutar el procedimiento objeto de la presente invención (más arriba descrito) , la herramienta mantiene la orientación relativa con la superficie a mecanizar no variando asi los ángulos de corte durante el mecanizado. En el cuerpo de la herramienta se dispone de dos o más dientes de corte, dientes que pueden estar a distintas alturas, a distinta distancia al eje de giro, dientes en los que las aristas y superficies de corte pueden tener distintos ángulos y/o radios de punta rompe- virutas u otras características diferenciadoras entre dientes. Por tanto cada diente es diferente o específico. Por software y mediante el giro posicional del husillo de la máquina, que gira el cuerpo de la herramienta, se selecciona el diento o la arista que va a trabajar, cada diente, y por tanto la arista de corte seleccionada se comporta como una herramienta de corte único, cada diente tendrá preferentemente unas características de corte o tipo de operación distintos; así a modo de ejemplo, un diente arista o filo, tendrá una geometría para desbastes y otro diente, arista o filo tendrá una geometría para acabado, puede un diente realizar operaciones de planeado y otro de ranurado .
Con la presente invención el cuerpo de la herramienta dispone de varios dientes (con sus respectivas aristas de corte) que se comportan como distintas herramientas seleccionables de corte único. El cambio de diente (herramienta) se realiza mediante el giro posicional del eje de la máquina en el que va alojada, por lo que el cambio es instantáneo; en el cuerpo de una herramienta tenemos varias herramientas de corte único que solo ocupan una posición en la torreta o en el carrusel de herramientas . Esta herramienta puede disponer de un elemento posicionador angular para su fijación al usillo o cabezal de la máquina herramienta. Este elemento posicionador angular puede ser, por ejemplo, un amarre HSK, cono ISO o WELDON o equivalente según el estado de la técnica que garantice la posición espacial y angular de la herramienta respecto al husillo de la máquina herramienta .
También es objeto de la presente invención una herramienta básica de cepillado neutra compuesta de un vástago (101) unido a un cuerpo (104) el cual presenta un diente único (120), el cual puede presentar una único filo (110) o arista de corte, o dos filos de corte (110', 110") . El vástago (101) se ancla a un elemento posicionador angular (103) de amarre al cabezal o husillo de la máquina herramienta. En el caso de dos filos de corte o aristas, en su zona de confluencia, para mejorar la resistencia de la herramienta y el acabado del mecanizado, se dispone un radio de encuentro o una faceta o ambos. Este encuentro entre ambos filos se produce en el eje de giro del cabezal o usillo de la máquina. Con el doble filo sobre el mismo diente se puede trabajar tanto a derechas como a izquierdas. Esta herramienta es susceptible de mecanizar a la vez que rotar al girar el husillo de la máquina en la que se aloja.
En el caso de que esta herramienta básica tenga un único filo de corte, éste estará centrado (o muy próximo) a un plano que contenga al eje de giro del cabezal o usillo de la máquina. De esta forma se consiguen muy bajos momentos de torsión sobre la herramienta, y el cabezal de la máquina podrá orientarse fácilmente, de forma continua, de forma que la herramienta se mantenga en todo momento perpendicular a la trayectoria a mecanizar como se describe en el procedimiento objeto de la presente invención. Esta herramienta es idónea para la ejecución de distintas geometrías de corte en las que, por ejemplo, se pueden obtener ángulos de desprendimiento muy positivos .
En realidad, la primera herramienta objeto de la invención descrita más arriba, es una variante de la herramienta básica objeto también de la presente invención, en la que a la herramienta básica se le han añadido dientes adicionales al cuerpo con un único filo cada diente. El elemento posicionador angular (103) va a permitir el mecanizado en corte continuo (cepillado) y de mecanizar como herramienta rotativa (fresado) a la vez que se produce e giro del husillo de la máquina en la que se alo a .
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Figura 1: representación del mecanizado en un torno de una pieza según la técnica actual.
Figura 2: representación del mecanizado en fresadora de una pieza según el estado de la técnica actual. - Figura 3: representación del mecanizado por contorneado de una pieza mediante fresado del estado actual de la técnica con una herramienta rotativa de tres dientes en un fresado CNC convencional.
Figura 4: representación del contorneado de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención .
Figura 5: representación del contorneado de una pieza con una herramienta de múltiples filos de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención .
Figura 6: representación del redondeado o achaflanado de una arista curva de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte con un elemento posicionador según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención.
Figura 7 : representación del planeado de una superficie inclinada de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención.
Figura 8 : representación del planeado de una superficie ondulada de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en zig-zag. - Figura 9: representación del planeado de una superficie compleja de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención. - Figura 10: representación del mecanizado de una superficie de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención con una estrategia en espiral cuadrada.
Figura 11: representación del mecanizado de una superficie de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención con una estrategia en espiral de Arquimedes. Figura 12: representación del mecanizado de una superficie irregular de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención con una estrategia planos en Z.
Figura 13: vista de un corte transversal del cuerpo de una herramienta objeto de la presente con cuatro dientes, con cada filo o aristas de corte estando a distinta distancia del centro, irregularmente dispuestas y con distintos ángulos de corte. Se trata e la herramienta de corte de la figura 5.
Figura 14: vista de una perspectiva de la herramienta de corte multidiente de las figuras 13 y 5.
Figura 15: vista de una perspectiva de la herramienta básica con un diente con dos filos o aristas de corte. - Figura 16: vista de una perspectiva de la herramienta básica con un diente con un único filo o arista de corte .
EXPOSICIÓN DETALLADA DE UN MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.
A continuación se describe el estado de la técnica del mecanizado en torno, fresadora y con herramienta de corte rotativa multi-filo (o multi-diente ) , y varias alternativas o estrategias de ejecución del procedimiento objeto de la presente invención. También se describe varias realizaciones de las herramientas objeto de la presente invención y aplicables en el procedimiento y maquina herramienta objeto de la presente invención. Todo ello ha de entenderse en sentido amplio y no limitativo.
La Figura 1 representa el mecanizado en el torno de una pieza según la técnica actual, la pieza de revolución (1) gira y tiene asi el movimiento de corte, la herramienta de corte único (2) se desplaza con una velocidad que llamamos avance, se trata de un corte continuo.
La Figura 2 se representa el mecanizado en fresadora de una pieza según el estado de la técnica actual, se trata de un mecanizado de una superficie plana sobre una pieza prismática (3) . La herramienta rotativa (4) gira, con lo que la herramienta dispone del movimiento de corte; la máquina proporciona un movimiento relativo herramienta- pieza, movimiento denominado avance de mecanizado. La combinación del giro de la herramienta y del desplazamiento relativo, la herramienta arranca porciones de material. Tal como se puede apreciar en la figura se trata de un corte discontinuo y la viruta es de sección variable . En la Figura 3 se representa el mecanizado por contorneado de una pieza (5) mediante fresado actual con una herramienta rotativa (4) de tres dientes en un fresado CNC convencional. El giro de la herramienta proporciona la velocidad de corte "Ve". El CNC calcula y controla los carros (ejes) para que el centro de la herramienta describa la trayectoria del centro de la herramienta (7) . Técnicamente, la velocidad de desplazamiento de la herramienta se le llama avance de mecanizado. Al rotar la herramienta, el corte es discontinuo. Cada diente arranca una porción de material y la herramienta se desplaza el avance por diente "Az". En cada vuelta la herramienta se desplaza el avance por vuelta "av", por tanto av=Az*Z La velocidad de desplazamiento, "avance", se expresa en mm/min .
Avance= Az*Z*N En la Figura 4 se representa el contorneado de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, representa la realización del contorneado de una pieza (5) con una herramienta de un solo filo de corte (6) . El vector centro de la herramienta-arista de corte está en todo momento perpendicular a la trayectoria a mecanizar. El CNC de la máquina calcula la trayectoria a describir en centro de la herramienta (linea a trazo y punto en la figura) y del giro de la herramienta para que la arista de corte se mantenga en la linea de la trayectoria a mecanizar; la electrónica de la máquina hace que los ejes giren con las velocidades y aceleraciones necesarias. El corte de material es continuo .
La Figura 5 representa el contorneado de una pieza con una herramienta de múltiples filos de corte, según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, en el que solo se emplea un filo o arista de corte. Se esquematiza el mecanizado por contorneado de una pieza (5) mediante el procedimiento de cepillado objeto de la presente invención, en el que una herramienta (6) con tres aristas de corte realiza el contorneado, si bien utiliza una única arista para realizar el mecanizado por cepillado en corte continuo. El CNC de la máquina calcula la trayectoria del centro de la herramienta (6) y el giro a dar a la herramienta para que el vector centro de la herramienta-arista de corte se mantenga perpendicular a la trayectoria a mecanizar. El movimiento de corte lo tiene el filo de la herramienta en su desplazamiento, y coincide con el movimiento de avance de un fresado.
En esta Figura 5 se representa una herramienta con tres aristas de corte asimétricas. Por programación en máquina, podemos seleccionar la arista de corte con la que queremos trabajar. La herramienta puede tener unas aristas de corte para desbastes y otras para acabado, por ej emplo .
Como se puede observar en la figura, el avance de mecanizado (las unidades de medida normalizadas son mm/min) es igual a la velocidad de corte, (las unidades de medida normalizadas son m/min) por lo tanto, la velocidad de desplazamiento (avance) puede tener valores muy altos. Avance=1000*Vc (mm/min)
La Figura 6 representa el redondeado o bien achaflanado de una arista curva de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención. La operación de mecanizado consiste en el redondeado/achaflanado de una arista con una geometría cualquiera (8) de una pieza (5) con el procedimiento de cepillado en la fresadora objeto de la presente invención. La herramienta (6) tiene una arista de corte con la forma del radio o forma del encuentro entre las superficies de la pieza. La herramienta se desplaza de forma que la arista de corte está siempre normal a la trayectoria a mecanizar. El posicionado de la herramienta en la máquina y el giro preciso de la herramienta es posible debido a que la herramienta dispone de un elemento de posicionado (9) en la máquina. La máquina, mediante motores y encoders, dispone de un control sobre el giro y posicionado del husillo donde se aloja la herramienta.
La Figura 7 representa el planeado de una superficie inclinada de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en zig-zag. Se esquematiza el proceso de mecanizado por cepillado en la fresadora de una superficie plana inclinada de una pieza (5) . La herramienta parte de un punto (10), se desplaza en rápido hacia la pieza y comienza a realizar las trayectorias de mecanizado (7) . Al final de cada trayectoria la herramienta gira 180° y realiza la compensación del radio, si es el caso, para realizar una trayectoria en sentido inverso a la anterior. La distancia entre trayectorias es el equivalente al avance por diente en el fresado con herramienta rotativa. La Figura 8 representa el planeado de una superficie ondulada de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en zig-zag. Se esquematiza el proceso de mecanizado por cepillado en la fresadora de una superficie ondulada de una pieza (5) . El CNC calcula y controla el desplazamiento de la herramienta sobre las trayectorias curvas (7); al final de cada trayectoria la herramienta gira 180° y realiza la compensación del radio, si es el caso, para realizar una trayectoria en sentido inverso a la anterior. En la figura las trayectorias se calcularon en dirección longitudinal, si bien pueden ser transversales o en cualquier otra dirección.
La Figura 9 representa el planeado de una superficie compleja de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en zig-zag. Se esquematiza el proceso de mecanizado por cepillado en la fresadora de una superficie compleja de una pieza (5) . El CAM calcula las intersecciones de planos paralelos, distantes el equivalente al desplazamiento por pasada del fresado, con la superficie a mecanizar obteniendo las trayectorias curvas complejas (7); El CNC gestiona los ejes para que la arista de la herramienta se desplace por las trayectorias calculadas. Al final de cada trayectoria la herramienta gira 180° y realiza la compensación del radio si es el caso, para realizar una trayectoria en sentido inverso a la anterior.
La Figura 10 representa el mecanizado de una superficie de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en espiral cuadrada . Se esquematiza el proceso de mecanizado de una superficie de una pieza con una estrategia de mecanizado en espiral rectangular .
En las trayectorias en espiral la compensación del radio no sufre modificaciones, la compensación es siempre a derecha o a izquierdas según el caso.
La Figura 11 representa el mecanizado de una superficie de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención, con una estrategia en espiral de Arquimedes. Se esquematiza el mecanizado de una superficie de una pieza con una estrategia de mecanizado en espiral de Arquimedes, que será plana si la superficie a mecanizar es plana y será en 3D si la superficie a mecanizar no es plana.
La Figura 12 representa el mecanizado de una superficie irregular de una pieza con una herramienta de un solo filo de corte según el procedimiento de mecanizado objeto de la presente invención con una estrategia planos en Z. Se esquematiza el mecanizado de una pieza (5) con una superficie a mecanizar cualquiera. En esta figura el CAM corta la superficie a mecanizar por planos horizontales paralelos; la intersección de los planos con la superficie a mecanizar da el equivalente a las curvas de nivel (15); estas curvas calculadas por el CAM son las trayectorias que describirá la arista de la herramienta durante el procedimiento de mecanizado por cepillado en la fresadora. Este tipo de geometrías mostrada en la figura son típicas en los diseños y mecanizados de moldes . El procedimiento de mecanizado por cepillado en la fresadora podrá acometerse en una máquina herramienta de cuatro ejes controlados para el mecanizado de geometrías 3D. De los cuatro ejes, tres ejes para el movimiento de la pieza más un cuarto eje para el giro necesario para la orientación de la herramienta consiguiendo así que la herramienta se encuentre en todo momento perpendicular a la trayectoria a mecanizar. Dos ejes, X Y por ejemplo, controlan el movimiento de la trayectoria en un plano o nivel; el cambio de nivel se realiza con el tercer eje; el cuarto eje orienta la herramienta.
Para una mayor calidad superficial se puede realizar el mecanizado de este tipo de geometrías en máquinas de cinco o más ejes. La ventaja de disponer de más ejes controlados radica en que la arista de la herramienta, además de desplazarse perpendicular a la trayectoria, se posiciona perpendicular a la superficie a mecanizar en el punto en contacto. Se contempla que el CAM pueda realizar otros cálculos de trayectorias con otras estrategias, como pueden ser con planos formando ángulos cualesquiera o variando la distancia de los planos de intersección con la superficie en continuo, lo que sería algo similar a una espiral en 3D.
Para superficies complejas, este tipo de estrategias fácilmente obligará a que la máquina disponga de seis ejes controlados, tres ejes coordenados, dos ejes de inclinación de mesas y/o cabezal y un eje de control de posición angular de la herramienta. Asi, sobre una fresadora de CNC, en la que el control numérico gestiona dos o más ejes, la herramienta incide sobre la pieza a mecanizar de forma que el vector que une el centro de la herramienta con la arista de corte de la herramienta es perpendicular a la superficie a mecanizar en el punto de contacto, el control numérico actúa sobre los ejes para que el movimiento relativo pieza herramienta sea tangente en todo momento a la superficie a mecanizar. El corte es continuo, similar al cepillado pero sin movimiento de retroceso, las trayectorias pueden ser en un plano o bien pueden ser espaciales.
Un software de CAM o bien el Control Numérico Computerizado (CNC) de la máquina realiza los cálculos necesarios para ordenar los movimientos de los ejes de la máquina de forma que la trayectoria del filo de la herramienta sea tangente a la superficie de la pieza, simultáneamente el CNC realiza los cálculos y controla la posición angular del husillo para que la herramienta tenga la orientación correcta, esto es, que el vector centro de la herramienta-arista de corte sea perpendicular a la trayectoria a mecanizar.
Al realizar corte continuo tangente a la pieza, el avance (velocidad de desplazamiento de la herramienta) se corresponde con la velocidad de corte característica para los materiales de la herramienta y de la pieza. La velocidad relativa del desplazamiento de la herramienta con respecto a la pieza es el avance de mecanizado. Por el tipo de movimiento relativo herramienta pieza, la velocidad de desplazamiento es igual a la velocidad de corte "Ve".
Ve (m/min) , Avance = 1000 * Ve (mm/min)
De los prontuarios, sabemos que en la fresadora convencional, las revoluciones "N" a programar en máquina son: N = 1000 * Ve / n * D
De la misma forma que en el fresado: Avance = Az * Z * N Para un supuesto en una fresadora en la que fijamos valores típicos de:
Az = 0,l - Z = 4 - D = 14
Aplicando las fórmulas anteriores: Avance « 9 , 1 * Ve (mm/min)
Para el anterior supuesto, el avance de mecanizado con la presente invención es de aproximadamente cien veces el avance en el fresado convencional con herramienta rotativa. En el fresado convencional Avance=9, l*Vc, frente a un Avance =1000*Vc en el cepillado.
Así pues con el procedimiento objeto de la presente invención la calidad superficial es mayor, se puede conseguir una importantísima reducción de tiempos de mecanizado y el desgaste del filo de la herramienta es menor . En las figuras 13 y 14 se observa una de las herramientas de corte objeto de esta invención se compone de vástago (201) o zona de amarre con el husillo de la máquina, de un cuerpo (204) y de unos dientes (220) con sus filos o aristas de corte (210) .
Preferentemente el vástago (201) tendrá un amarre HSK, un cono ISO, un WELDON o sistema equivalente que garantice la posición espacial y angular de la herramienta relativa al husillo de la máquina. El cuerpo (204) de la herramienta se diseña y fabrica en función del tipo de mecanizado con la forma y dimensiones que permitan el acceso a la zona a mecanizar y tenga la robustez apropiada. En el extremo del cuerpo se sitúan los dientes (220) con sus filos o aristas de corte (210) de la herramienta, dientes que de forma preferente tienen distintas características geométricas para realizar distintas operaciones de mecanizado. Cada diente arista o filo de la herramienta se comportará como una herramienta de corte único.
Al poder tener distintas geometrías de corte, (aristas, radios de punta, rompe virutas...) con la misma herramienta se pueden realizar operaciones de desbaste y de acabado.
Al poder tener distintos ángulos de corte (en las aristas o en las superficies) se pueden mecanizar en distintas condiciones o en distintos materiales. Al poder tener los filos distintas geometrías se pueden realizar con la misma herramienta distintas operaciones de mecanizado, como pueden ser: de contorneado, de superficies, de mandrinado, de ranurado, de roscado... La posibilidad de que los dientes (210) de la herramienta se encuentren en distinta posición angular o a distintas distancias del eje (200) de la herramienta permite más posibilidades de selección de operaciones de mecanizado sin que los otros dientes interfieran o dificulten el acceso de la herramienta a zonas limitadas de espacio en la pieza. Los dientes de la herramienta podrán estar tallados sobre el cuerpo (220), soldados o ser insertos fijos o intercambiables (como en la figura 14) .
Los dientes (210) de la herramienta se encuentran en una posición angular definida y referenciada respecto del vástago (201) de amarre para que el CNC gestione la selección del diente (herramienta) mediante el giro posicional del husillo de la máquina. En las figuras 15 y 16 se observa la herramienta básica de cepillado neutra compuesta de un vástago (101) unido a un cuerpo (104) el cual presenta un diente único (120), el cual puede presentar una único filo (110) o arista de corte (figura 16), o dos filos de corte (110', 110") (figura 15) . El vástago (101) se ancla a un elemento posicionador angular (103) de amarre al cabezal o husillo de la máquina herramienta. El elemento posicionador angular (103) puede ser un amarre HSK, cono ISO o WELDON o equivalente según el estado de la técnica que garantice la posición espacial y angular de la herramienta respecto al husillo de la máquina herramienta. El cuerpo (104) de la herramienta se diseña y fabrica en función del tipo de mecanizado con la forma y dimensiones que permitan el acceso a la zona a mecanizar y tenga la robustez necesaria para los trabajos de mecanizado y cepillado a realizar .

Claims

REIVINDICACIONES
Procedimiento de mecanizado de fresado cepillado de metales y otros materiales en la fresadora, caracterizado por que un software calcula las trayectorias que debe realizar una herramienta para el mecanizado en CNC y el giro de orientación de dicha herramienta en el cabezal, la máquina gestiona los movimientos de los ejes, con las velocidades y aceleraciones necesarias, para que los filos de corte (110,210) de dicha herramienta estén en contacto continuo con la pieza a mecanizar en la trayectoria calculada a mecanizar, siendo el vector arista de corte - centro de la herramienta perpendicular en todo momento con dicha trayectoria.
Procedimiento fresado cepillado de metales y otros materiales, según la reivindicación anterior caracterizado por que el mecanizado se realiza en una máquina-herramienta cualquiera con capacidad de orientar la herramienta con respecto a la trayectoria a mecanizar.
3. Procedimiento fresado cepillado de metales y otros materiales, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el cálculo de las trayectorias y giros de ejes se realiza mediante un software de CAM externo a la máquina; los cálculos de trayectorias de la herramienta, el giro de la herramienta para su orientación con la trayectoria y los giros de los ejes para lograr la perpendicularidad de la herramienta con la superficie a mecanizar son enviados a la máquina CNC para que ordene y controle los desplazamientos de los carros y los giros de los ejes correspondientes.
Procedimiento fresado cepillado de metales y otros materiales, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el CAM o el CNC pueda pasar la máquina de la función de mecanizado por cepillado a función de mecanizado por fresado y viceversa en cualquier momento, incluso durante la ejecución física de una de las trayectorias de mecanizado .
5. Herramienta de corte único para una máquina herramienta para ejecutar el procedimiento de cualquiera de las reivindicaciones anteriores del tipo que comprende un vástago (101, 201) unido a un cuerpo (104,204), dicho cuerpo comprendiendo al menos un diente (120,220), dicho diente con al menos un filo de corte (110', 210) caracterizado por que el vástago
(101,201) se fija al husillo de dicha máquina herramienta a través de un elemento posicionador angular (103) . 6. Herramienta de corte único, según la reivindicación anterior, caracterizada por que dicho cuerpo (204) comprende al menos dos dientes (220), cada diente con un filo de corte (210) específico, y seleccionable por programación mediante la rotación de la herramienta para el posicionado, de forma automática y continua, del filo (210) perpendicular a la trayectoria a mecanizar .
7. Herramienta de corte único, según la reivindicación anterior, caracterizada por que los dientes o aristas (210) de corte son insertos fijos o intercambiables anclados mecánicamente sobre el cuerpo de la herramienta.
8. Herramienta de corte único según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 7, caracterizada por que las aristas (210) de corte se encuentran situadas a distintas distancias del eje (200) del cuerpo (204) .
9. Herramienta de corte único según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizada por que las aristas (210) de corte se encuentran situadas en posiciones angulares asimétricas con respecto al eje (200) del cuerpo (204) .
10. Herramienta de corte único según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9, caracterizada por que los dientes (220) tienen distintas geometrías de corte, aristas, radios de punta o rompe virutas.
11. Herramienta de corte único según cualquiera de las reivindicaciones 6 a 10 caracterizada por que las aristas (210) tienen distintos ángulos de corte.
12. Herramienta de corte único según la reivindicación 5, caracterizada por que el cuerpo (104) comprende un único diente (120) con doble filo (110) de corte a derecha y a izquierda, y porque la confluencia de ambos filos de corte se sitúan en el eje de giro (200), o muy próximo a él, de la herramienta.
13. Herramienta de corte único según la reivindicación 5, caracterizada por que comprende un único diente (120) con un único filo de corte (110) susceptible de mecanizar a la vez que rotar al girar el husillo donde se aloja y por que el filo de corte (110) está situada en un plano que contiene el eje de giro (200) de la herramienta, o muy próximo a él, y su vértice está en el eje de giro (200), o muy próximo a él.
14. Máquina de mecanizado para ejecutar el procedimiento de las reivindicaciones anteriores y que incorpora cualquiera de las herramientas de corte de las reivindicaciones anteriores.
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