Fresado (mecanizado)

El fresado es el proceso de mecanizado que utiliza cortadores rotatorios para eliminar material ^[1] haciendo avanzar un cortador en una pieza de trabajo . Esto se puede hacer variando las direcciones ^[2] en uno o varios ejes, la velocidad del cabezal de corte y la presión. ^[3] El fresado cubre una amplia variedad de operaciones y máquinas diferentes, en escalas que van desde pequeñas piezas individuales hasta operaciones de fresado en grupo de gran tamaño y alta resistencia. Es uno de los procesos más utilizados para mecanizar piezas personalizadas con tolerancias precisas.

El fresado se puede realizar con una amplia gama de máquinas herramienta . La clase original de máquinas herramienta para fresado fue la fresadora (a menudo llamada fresadora). Después de la llegada del control numérico por computadora (CNC) en la década de 1960, las fresadoras evolucionaron hasta convertirse en centros de mecanizado : fresadoras aumentadas con cambiadores automáticos de herramientas, almacenes o carruseles de herramientas, capacidad CNC, sistemas de refrigeración y carcasas. Los centros de fresado se clasifican generalmente como centros de mecanizado verticales (VMC) o centros de mecanizado horizontales (HMC).

La integración del fresado en entornos de torneado , y viceversa, comenzó con herramientas motorizadas para tornos y el uso ocasional de fresadoras para operaciones de torneado. Esto dio lugar a una nueva clase de máquinas herramienta, las máquinas multitarea (MTM), que están diseñadas específicamente para facilitar el fresado y el torneado dentro del mismo entorno de trabajo.

El fresado es un proceso de corte que utiliza una fresa para eliminar material de la superficie de una pieza de trabajo . La fresa es una herramienta de corte rotatoria , a menudo con múltiples puntos de corte. A diferencia del taladrado , donde la herramienta avanza a lo largo de su eje de rotación, la fresa en el fresado generalmente se mueve perpendicular a su eje para que el corte se produzca en la circunferencia de la fresa. A medida que la fresa entra en la pieza de trabajo, los bordes de corte (estrías o dientes) de la herramienta cortan y salen repetidamente del material, quitando virutas (virutas) de la pieza de trabajo con cada pasada. La acción de corte es la deformación por cizallamiento; el material se empuja fuera de la pieza de trabajo en pequeños grupos que cuelgan juntos en mayor o menor medida (dependiendo del material) para formar virutas. Esto hace que el corte de metales sea algo diferente (en su mecánica ) de cortar materiales más blandos con una cuchilla .

El proceso de fresado elimina material realizando muchos cortes pequeños e independientes. Esto se logra utilizando una fresa con muchos dientes, haciendo girar la fresa a alta velocidad o haciendo avanzar el material a través de la fresa lentamente; lo más frecuente es que se trate de una combinación de estos tres enfoques. ^[2] Las velocidades y avances utilizados varían para adaptarse a una combinación de variables. La velocidad a la que avanza la pieza a través de la fresa se denomina velocidad de avance o simplemente avance ; se mide con mayor frecuencia como distancia por tiempo (pulgadas por minuto [in/min o ipm] o milímetros por minuto [mm/min]), aunque a veces también se utiliza la distancia por revolución o por diente de la fresa.

Hay dos clases principales de procesos de fresado:

• En el fresado frontal , la acción de corte se produce principalmente en las esquinas de los extremos de la fresa. El fresado frontal se utiliza para cortar superficies planas (caras) en la pieza de trabajo o para cortar cavidades de fondo plano.
• En el fresado periférico , la acción de corte se produce principalmente a lo largo de la circunferencia de la fresa, de modo que la sección transversal de la superficie fresada termina recibiendo la forma de la fresa. En este caso, se puede ver que las cuchillas de la fresa extraen material de la pieza de trabajo. El fresado periférico es adecuado para el corte de ranuras profundas, roscas y dientes de engranajes.

En el proceso de fresado se utilizan muchos tipos diferentes de herramientas de corte. Las fresas, como las fresas de extremo, pueden tener superficies de corte en toda su superficie final, de modo que se puedan perforar en la pieza de trabajo (perforación). Las fresas también pueden tener superficies de corte extendidas en sus lados para permitir el fresado periférico. Las herramientas optimizadas para el fresado frontal tienden a tener solo cortadores pequeños en las esquinas de sus extremos.

Las superficies de corte de una fresa generalmente están hechas de un material duro y resistente a la temperatura, por lo que se desgastan lentamente. Una fresa de bajo costo puede tener superficies hechas de acero de alta velocidad . Los materiales más caros pero de desgaste más lento incluyen carburo cementado . Se pueden aplicar recubrimientos de película delgada para disminuir la fricción o aumentar aún más la dureza.

Existen herramientas de corte que se utilizan normalmente en fresadoras o centros de mecanizado para realizar operaciones de fresado (y ocasionalmente en otras máquinas herramienta). Eliminan material mediante su movimiento dentro de la máquina (por ejemplo, una fresa de punta esférica) o directamente de la forma de la fresa (por ejemplo, una herramienta de conformado como una fresa de tallado).

A medida que el material pasa a través del área de corte de una fresadora, las cuchillas de la fresa recogen virutas de material a intervalos regulares. Por lo tanto, las superficies cortadas por el lado de la fresa (como en el fresado periférico) siempre contienen crestas regulares. La distancia entre las crestas y la altura de las crestas dependen de la velocidad de avance, el número de superficies de corte y el diámetro de la fresa. ^[4] Con una fresa estrecha y una velocidad de avance rápida, estas crestas de revolución pueden ser variaciones significativas en el acabado de la superficie .

En principio, el proceso de fresado frontal puede producir superficies muy planas. Sin embargo, en la práctica, el resultado siempre muestra marcas trocoidales visibles siguiendo el movimiento de los puntos en la cara final de la fresa. Estas marcas de revolución proporcionan el acabado característico de una superficie fresada frontal. Las marcas de revolución pueden tener una rugosidad significativa dependiendo de factores como la planitud de la cara final de la fresa y el grado de perpendicularidad entre el eje de rotación de la fresa y la dirección de avance. A menudo se utiliza una pasada final con una velocidad de avance lenta para mejorar el acabado de la superficie después de que se haya eliminado la mayor parte del material. En una operación de fresado frontal precisa, las marcas de revolución solo serán arañazos microscópicos debidos a imperfecciones en el filo de corte.

El fresado en grupo se refiere al uso de dos o más fresas montadas en el mismo eje (es decir, acopladas) en una configuración de fresado horizontal. Todas las fresas pueden realizar el mismo tipo de operación, o cada fresa puede realizar un tipo de operación diferente. Por ejemplo, si varias piezas de trabajo necesitan una ranura, una superficie plana y una ranura angular , un buen método para cortarlas (dentro de un contexto no CNC ) sería el fresado en grupo. Todas las piezas de trabajo completadas serían las mismas y el tiempo de fresado por pieza se minimizaría. ^[5]

El fresado en serie era especialmente importante antes de la era del CNC , porque para la producción de piezas duplicadas, suponía una mejora sustancial de la eficiencia con respecto al fresado manual de una característica en una operación y, a continuación, el cambio de máquinas (o el cambio de configuración de la misma máquina) para cortar la siguiente operación. Hoy en día, las fresadoras CNC con cambio automático de herramientas y control de 4 o 5 ejes eliminan en gran medida la práctica del fresado en serie.

El fresado se realiza con una fresa de diversas formas, sujetada en una pinza o similar que, a su vez, está sujeta en el husillo de una fresadora.

La orientación de la fresadora es la clasificación principal de las fresadoras. Las dos configuraciones básicas son vertical y horizontal, en referencia a la orientación del husillo giratorio sobre el que se monta la fresa. Sin embargo, existen clasificaciones alternativas según el método de control, el tamaño, el propósito y la fuente de energía.

En la fresadora vertical, el eje del husillo está orientado verticalmente. Las fresas se sujetan en el husillo y giran sobre su eje. El husillo generalmente se puede bajar (o se puede elevar la mesa, lo que da el mismo efecto relativo de acercar o adentrar la fresa en la pieza de trabajo), lo que permite realizar cortes de inmersión y taladrados. La profundidad a la que las cuchillas cortan en la pieza de trabajo se puede controlar con una tuerca de ajuste micrométrica . Hay dos subcategorías de fresadoras verticales: la fresadora de bancada y la fresadora de torreta.

• Una fresadora de torreta tiene un husillo fijo y la mesa se mueve tanto perpendicular como paralelamente al eje del husillo para realizar el corte. Algunas fresadoras de torreta tienen un eje que permite subir y bajar la fresa (o un taladro) de manera similar a un taladro de columna. Esto proporciona dos métodos de corte en la dirección vertical (Z): subiendo o bajando el eje y moviendo la rodilla.
• En el molino de bancada , sin embargo, la mesa se mueve sólo perpendicularmente al eje del husillo, mientras que el husillo se mueve paralelo a su propio eje.

En general, algunos consideran que los molinos de torreta son los más versátiles de los dos diseños.

También existe un tercer tipo, una máquina más ligera y versátil, llamada taladro-fresadora. El taladro-fresadora es un pariente cercano de la fresadora vertical y bastante popular en la industria ligera y entre los aficionados. Un taladro-fresadora es similar en configuración básica a un taladro de columna muy pesado, pero equipado con una mesa XY y una columna mucho más grande. También suelen utilizar motores más potentes que un taladro de columna de tamaño comparable, la mayoría son accionados por correa de varias velocidades y algunos modelos tienen un cabezal con engranajes o control electrónico de velocidad. Por lo general, tienen cojinetes de husillo bastante resistentes para lidiar con la carga lateral en el husillo que se crea durante una operación de fresado. Un taladro-fresadora también suele subir y bajar todo el cabezal, incluido el motor, a menudo en una columna vertical en cola de milano (a veces redonda con piñón y cremallera). Un taladro-fresadora también tiene un eje grande que generalmente se bloquea durante las operaciones de fresado y se libera para facilitar las funciones de taladrado. Otras diferencias que separan una fresadora-taladro de un taladro de columna pueden ser un ajuste fino del eje Z, un tope de profundidad más preciso, la capacidad de bloquear el eje X, Y o Z y, a menudo, un sistema de inclinación del cabezal o de todo el conjunto de columna vertical y cabezal de potencia para permitir el corte-taladrado en ángulo. Aparte del tamaño, la principal diferencia entre estas máquinas más ligeras y las fresadoras verticales más grandes es que la mesa XY está a una elevación fija; el eje Z se controla moviendo el cabezal o el eje hueco hacia abajo, hacia la mesa X, Y. Una fresadora-taladro normalmente tiene un accesorio cónico interno en el eje hueco para colocar un mandril de pinza, fresas de planear o un mandril Jacobs similar a la fresadora vertical.

Una fresadora horizontal tiene el mismo diámetro, pero las fresas están montadas en un husillo horizontal, o árbol, montado transversalmente a la mesa. Muchas fresadoras horizontales también cuentan con una mesa giratoria incorporada que permite fresar en varios ángulos; esta característica se denomina mesa universal . Si bien las fresas de extremo y los otros tipos de herramientas disponibles para una fresadora vertical se pueden utilizar en una fresadora horizontal, su verdadera ventaja radica en las fresas montadas en el árbol, llamadas fresas laterales y de cara, que tienen una sección transversal similar a una sierra circular, pero generalmente son más anchas y de menor diámetro. Debido a que las fresas tienen un buen soporte del árbol y tienen un área de sección transversal más grande que una fresa de extremo, se pueden realizar cortes bastante pesados, lo que permite velocidades rápidas de eliminación de material. Estas se utilizan para fresar ranuras y ranuras. Las fresas simples se utilizan para dar forma a superficies planas. Se pueden unir varias fresas en el árbol para fresar una forma compleja de ranuras y planos. Las fresas especiales también pueden cortar ranuras, biseles, radios o, de hecho, cualquier sección deseada. Estas fresas especiales tienden a ser caras. Las fresadoras simples tienen un husillo y las fresadoras dúplex tienen dos. También es más fácil cortar engranajes en una fresadora horizontal. Algunas fresadoras horizontales están equipadas con un dispositivo de toma de fuerza en la mesa. Esto permite sincronizar la alimentación de la mesa con un dispositivo giratorio, lo que permite el fresado de elementos espirales como engranajes hipoides .

Una fresadora universal es aquella que puede tener un husillo horizontal o uno vertical. Este último a veces se encuentra sobre una torreta de dos ejes que permite que el husillo apunte en cualquier dirección según se desee. Las dos opciones pueden accionarse de forma independiente o desde un motor a través de un engranaje. En ambos casos, como la pieza de trabajo se coloca generalmente en el mismo lugar para ambos tipos de operación, el mecanismo para el método que no se utiliza se retira. En las máquinas más pequeñas, las "piezas de repuesto" se pueden levantar, mientras que las máquinas más grandes ofrecen un sistema para retraer las piezas que no se utilizan.

La elección entre la orientación vertical y horizontal del husillo en el diseño de una fresadora suele depender de la forma y el tamaño de la pieza de trabajo y del número de lados de la pieza de trabajo que se deben mecanizar. Los trabajos en los que el movimiento axial del husillo es normal a un plano, con una fresa como herramienta de corte, son más adecuados para una fresadora vertical, donde el operador puede situarse delante de la máquina y tener fácil acceso a la acción de corte mirando hacia abajo. Por tanto, las fresadoras verticales son las más adecuadas para trabajos de grabado en caliente (mecanizado de un molde para convertirlo en un bloque de metal). ^[6] Las piezas de trabajo más pesadas y largas son más adecuadas para su colocación sobre la mesa de una fresadora horizontal.

Antes del control numérico , las fresadoras horizontales evolucionaron primero, porque evolucionaron colocando mesas de fresado debajo de cabezales similares a los de un torno. Las fresadoras verticales aparecieron en décadas posteriores, y se han utilizado comúnmente accesorios en forma de cabezales adicionales para cambiar las fresadoras horizontales a fresadoras verticales (y luego viceversa). Incluso en la era del CNC , una pieza de trabajo pesada que necesita mecanizado en varios lados se presta a un centro de mecanizado horizontal, mientras que el grabado en caliente se presta a uno vertical.

Además de horizontal y vertical, también son importantes otras distinciones:

• Fresadora de bancada Se refiere a cualquier fresadora en la que el husillo se encuentra en un soporte que se mueve hacia arriba y hacia abajo para mover la fresa hacia la pieza de trabajo, mientras que la mesa se asienta sobre una bancada sólida que reposa sobre el suelo. Por lo general, son más rígidas que una fresadora de rodilla. Las fresadoras de pórtico se pueden incluir en esta categoría de fresadoras de bancada.
• Molino de caja o molino de columna. Fresadoras de banco para aficionados muy básicas que cuentan con un cabezal que sube y baja sobre una columna o una guía de caja.
• Fresadoras con bastidor en C Son fresadoras de producción industrial más grandes. Cuentan con una rodilla y un cabezal de husillo fijo que solo se puede mover verticalmente. Por lo general, son mucho más potentes que una fresadora de torreta, ya que cuentan con un motor hidráulico independiente para la alimentación hidráulica integral en todas las direcciones y un motor de veinte a cincuenta caballos de fuerza. Los eliminadores de holgura son casi siempre un equipo estándar. Utilizan herramientas grandes NMTB 40 o 50. Las mesas de las fresadoras con bastidor en C suelen tener 18" por 68" o más, para permitir que se mecanicen varias piezas al mismo tiempo.
• Fresadoras de piso Estas fresadoras tienen una fila de mesas giratorias y un husillo colgante horizontal montado sobre un conjunto de rieles que corre paralelo a la fila de mesas. Estas fresadoras se han convertido predominantemente a CNC , pero todavía se pueden encontrar algunas (si es que se puede encontrar una máquina usada disponible) bajo control manual. El carro del husillo se mueve a cada mesa individual, realiza las operaciones de mecanizado y se mueve a la siguiente mesa mientras se prepara la mesa anterior para la siguiente operación. A diferencia de otras fresadoras, las fresadoras de piso tienen unidades de piso móviles. Una grúa deja caer enormes mesas giratorias, mesas XY, etc., en posición para el mecanizado, lo que permite operaciones de fresado personalizadas grandes y complejas.
• Fresadora de pórtico El cabezal de fresado se desplaza sobre dos raíles (normalmente ejes de acero) que se encuentran a cada lado de la superficie de trabajo. Debido a su diseño, suele ocupar muy poco espacio en comparación con el tamaño del recorrido de la máquina. Como desventaja, normalmente no son tan rígidas como, por ejemplo, las fresadoras con bastidor en C.
• Fresadora horizontal de bancada grande y precisa que incorpora muchas características de varias máquinas herramienta. Se utilizan predominantemente para crear grandes plantillas de fabricación o para modificar piezas grandes de alta precisión. Tienen un recorrido de husillo de varios pies (normalmente entre cuatro y seis pies) y muchas están equipadas con un contrapunto para realizar operaciones de mandrinado muy largas sin perder precisión a medida que aumenta la profundidad del orificio. Una bancada típica tiene un recorrido X e Y y tiene entre tres y cuatro pies cuadrados con una mesa giratoria o un rectángulo más grande sin mesa. El colgante suele proporcionar entre cuatro y ocho pies de movimiento vertical. Algunas fresadoras tienen un cabezal de revestimiento integral grande (30" o más). Hay mesas giratorias en ángulo recto y accesorios de fresado vertical disponibles para una mayor flexibilidad.
• Mandriladora de plantilla Fresadoras verticales diseñadas para perforar agujeros y fresar ranuras o caras muy ligeras. Por lo general, son fresadoras de bancada con un husillo de gran recorrido. Las bancadas son más precisas y los volantes están graduados hasta 0,0001" para una colocación precisa de los agujeros.
• La fresadora de rodilla o fresadora de rodilla y columna se refiere a cualquier fresadora cuya mesa xy se desplaza hacia arriba y hacia abajo por la columna sobre una rodilla ajustable verticalmente. Esto incluye a las Bridgeport.
• Fresadora tipo cepilladora (fresadora plana) Fresadoras grandes construidas con la misma configuración que las cepilladoras, excepto que tienen un husillo de fresado en lugar de un cabezal de cepillado. Este término está quedando obsoleto, ya que las propias cepilladoras son en gran medida cosa del pasado.
• Fresadora de tipo ariete Esto puede referirse a cualquier fresadora que tenga un cabezal de corte montado en un ariete deslizante. El husillo puede orientarse vertical u horizontalmente. En la práctica, la mayoría de las fresadoras con arietes también implican capacidad de giro, ya sea que se llame o no montaje de "torreta". La configuración Bridgeport se puede clasificar como una fresadora de tipo ariete de cabezal vertical. Van Norman Machine Tool Company se especializó en fresadoras de tipo ariete durante la mayor parte del siglo XX. Desde la amplia difusión de las máquinas CNC , las fresadoras de tipo ariete todavía se fabrican en la configuración Bridgeport (con control manual o CNC ), pero las variaciones menos comunes (como las construidas por Van Norman, Index y otros) han desaparecido, y su trabajo se realiza ahora mediante fresadoras de formas Bridgeport o centros de mecanizado.
• Fresadora de torreta Más comúnmente conocida como fresadora tipo Bridgeport. El husillo se puede alinear en muchas posiciones diferentes para lograr una máquina muy versátil, aunque algo menos rígida.

Los maquinistas suelen denominar molino a una fresadora . El término arcaico molinero se utilizaba habitualmente en los siglos XIX y principios del XX. ^[7]

Desde la década de 1960 se ha desarrollado una superposición de uso entre los términos fresadora y centro de mecanizado . Los centros de mecanizado NC/ CNC evolucionaron a partir de las fresadoras, por lo que la terminología evolucionó gradualmente con una superposición considerable que aún persiste. La distinción, cuando se hace una, es que un centro de mecanizado es una fresadora con características que las fresadoras anteriores al CNC nunca tuvieron, especialmente un cambiador automático de herramientas (ATC) que incluye un almacén de herramientas (carrusel) y, a veces, un cambiador automático de paletas (APC). En el uso típico, todos los centros de mecanizado son fresadoras, pero no todas las fresadoras son centros de mecanizado; solo las fresadoras con ATC son centros de mecanizado.

La mayoría de las fresadoras CNC (también llamadas centros de mecanizado ) son fresadoras verticales controladas por ordenador con la capacidad de mover el husillo verticalmente a lo largo del eje Z. Este grado adicional de libertad permite su uso en aplicaciones de grabado y troquelado y superficies 2,5D como esculturas en relieve . Cuando se combina con el uso de herramientas cónicas o una fresa de punta esférica , también mejora significativamente la precisión del fresado sin afectar a la velocidad, lo que proporciona una alternativa rentable a la mayoría de los trabajos de grabado manual de superficies planas .

Las máquinas CNC pueden existir en prácticamente cualquier forma de maquinaria manual, como las fresadoras horizontales. Las fresadoras CNC más avanzadas, las máquinas multieje , añaden dos ejes más además de los tres ejes normales (XYZ). Las fresadoras horizontales también tienen un eje C o Q, lo que permite girar la pieza de trabajo montada horizontalmente, lo que permite esencialmente el torneado asimétrico y excéntrico . El quinto eje (eje B) controla la inclinación de la propia herramienta. Cuando todos estos ejes se utilizan en conjunción entre sí, se pueden realizar con relativa facilidad geometrías extremadamente complicadas, incluso geometrías orgánicas como una cabeza humana, con estas máquinas. Pero la habilidad para programar tales geometrías está más allá de la de la mayoría de los operadores. Por lo tanto, las fresadoras de 5 ejes prácticamente siempre se programan con CAM .

El sistema operativo de estas máquinas es un sistema de bucle cerrado y funciona con retroalimentación. Estas máquinas se han desarrollado a partir de las máquinas NC (CONTROL NUMÉRICO) básicas. Una forma computarizada de máquinas NC se conoce como máquinas CNC. Se utiliza un conjunto de instrucciones (llamado programa) para guiar a la máquina hacia las operaciones deseadas. Hay más de 100 códigos G y códigos M diferentes. ^[8] Algunos códigos muy utilizados, que se utilizan en el programa son:

G00 – marcha rápidaG01 – interpolación lineal de la herramientaG02 - arco circular en sentido horario (cw)G03 - arco circular en sentido antihorario (ccw)G20 - dimensiones en pulgadasG21 – dimensiones en mmG28 - volver al punto de referenciaG40 - Cancelación de compensación de herramientaG41 - Compensación de herramienta a la izquierdaG42 - Compensación de herramienta derechaG43 - Compensación de longitud de herramientaG54 - Seleccionar el sistema de coordenadas n.° 1M03 – inicio del husillo (en sentido horario)M04 – inicio del husillo (en sentido antihorario)M05 - tope del husilloM06 - cambio de herramientaM08 - refrigerante encendidoM09 - refrigerante apagadoM30 – fin del programa

También se utilizan otros códigos. Una máquina CNC es operada por un solo operador llamado programador. Esta máquina es capaz de realizar varias operaciones de forma automática y económica.

Con la caída del precio de las computadoras y del software CNC de código abierto , el precio de entrada de las máquinas CNC se ha desplomado.

Los accesorios y herramientas de corte que se utilizan en las máquinas herramienta (incluidas las fresadoras) se denominan en conjunto con el nombre colectivo "herramientas". Existe un alto grado de estandarización de las herramientas que se utilizan en las fresadoras CNC y un grado menor en las fresadoras manuales. Para facilitar la organización de las herramientas en la producción CNC, muchas empresas utilizan una solución de gestión de herramientas .

Las fresas para aplicaciones específicas se encuentran disponibles en diversas configuraciones de herramientas.

Las fresadoras CNC casi siempre utilizan herramientas SK (o ISO), CAT, BT o HSK. Las herramientas SK son las más comunes en Europa, mientras que las herramientas CAT, a veces llamadas herramientas de brida en V, son el tipo más antiguo y probablemente el más común en los EE. UU. Las herramientas CAT fueron inventadas por Caterpillar Inc. de Peoria, Illinois , con el fin de estandarizar las herramientas utilizadas en su maquinaria. Las herramientas CAT vienen en una gama de tamaños designados como CAT-30, CAT-40, CAT-50, etc. El número se refiere al tamaño cónico de la herramienta de la Asociación para la Tecnología de Fabricación (anteriormente la Asociación Nacional de Constructores de Máquinas Herramienta (NMTB)) .

Una mejora de las herramientas CAT es la herramienta Bridgeport Taper (BT), que parece similar y se puede confundir fácilmente con las herramientas CAT. Al igual que las herramientas CAT, las herramientas BT vienen en una variedad de tamaños y utilizan el mismo cono de cuerpo NMTB. Sin embargo, las herramientas BT son simétricas con respecto al eje del husillo , lo que no ocurre con las herramientas CAT. Esto le da a las herramientas BT una mayor estabilidad y equilibrio a altas velocidades. Otra diferencia sutil entre estos dos portaherramientas es la rosca que se utiliza para sujetar el tirador. Las herramientas CAT tienen roscas imperiales y las herramientas BT tienen roscas métricas. Tenga en cuenta que esto afecta solo al tirador; no afecta a la herramienta que pueden sujetar. Ambos tipos de herramientas se venden para aceptar herramientas de tamaño imperial y métrico.

Las herramientas SK y HSK, a veces denominadas "herramientas de mango hueco", son mucho más comunes en Europa, donde se inventaron, que en los Estados Unidos. Se afirma que las herramientas HSK son incluso mejores que las herramientas BT a altas velocidades. El mecanismo de sujeción de las herramientas HSK se coloca dentro del cuerpo (hueco) de la herramienta y, a medida que aumenta la velocidad del husillo, se expande, agarrando la herramienta con más fuerza a medida que aumenta la velocidad del husillo. No hay perno de tracción con este tipo de herramientas.

En el caso de las fresadoras manuales, la estandarización es menor, ya que existe una mayor pluralidad de normas que antes competían entre sí. Las máquinas manuales más nuevas y de mayor tamaño suelen utilizar herramientas NMTB. Estas herramientas son algo similares a las herramientas CAT, pero requieren una barra de tracción dentro de la fresadora. Además, existen varias variaciones de las herramientas NMTB que dificultan la intercambiabilidad. Cuanto más antigua sea una máquina, mayor será la pluralidad de normas que se pueden aplicar (por ejemplo, Morse , Jarno , Brown & Sharpe , Van Norman y otras conicidades específicas del fabricante menos comunes). Sin embargo, dos normas que se han utilizado especialmente son la Morse n.º 2 y la R8, cuya prevalencia se debió a la popularidad de las fresadoras fabricadas por Bridgeport Machines de Bridgeport, Connecticut . Estas fresadoras dominaron el mercado durante tanto tiempo que "Bridgeport" es prácticamente sinónimo de "fresadora manual". La mayoría de las máquinas que Bridgeport fabricó entre 1938 y 1965 utilizaban un cono Morse n.° 2 y, desde aproximadamente 1965 en adelante, la mayoría utilizaba un cono R8.

Existen muchas herramientas de corte para fresadoras, incluidas fresas, cortadoras de ranurar, cortadoras de engranajes, fresas de extremo, etc. ^[9]

• Soporte de árbol
• Bloqueo de parada

El fresado de cavidades se ha considerado como una de las operaciones más utilizadas en el mecanizado . Se utiliza ampliamente en las industrias aeroespacial y de astilleros . En el fresado de cavidades, el material dentro de un límite cerrado arbitrariamente en una superficie plana de una pieza de trabajo se elimina a una profundidad fija. Generalmente, se utilizan fresas de extremo de fondo plano para el fresado de cavidades. En primer lugar, se realiza una operación de desbaste para eliminar la mayor parte del material y luego se termina la cavidad con una fresa de extremo de acabado. ^[10] La mayoría de las operaciones de fresado industrial se pueden realizar con fresado CNC de 2,5 ejes . Este tipo de control de trayectoria puede mecanizar hasta el 80% de todas las piezas mecánicas. Dado que la importancia del fresado de cavidades es muy relevante, los enfoques de mecanizado de cavidades efectivos pueden dar como resultado una reducción en el tiempo y el costo de mecanizado. ^{[11] El fresado de cavidades} NC se puede realizar principalmente con dos trayectorias de herramienta, a saber, lineal y no lineal. ^[12]

En este enfoque, el movimiento de la herramienta es unidireccional. Las trayectorias de herramienta en zigzag y en zigzag son ejemplos de trayectorias de herramienta lineales.

En el fresado en zigzag, el material se elimina tanto en el sentido de avance como en el de retroceso. En este caso, el corte se realiza tanto a favor como en contra de la rotación del husillo. Esto reduce el tiempo de mecanizado, pero aumenta el traqueteo de la máquina y el desgaste de la herramienta .

En el fresado en zigzag, la herramienta se mueve solo en una dirección. La herramienta debe levantarse y retraerse después de cada corte, por lo que el tiempo de mecanizado aumenta. Sin embargo, en el caso del fresado en zigzag, la calidad de la superficie es mejor.

En este enfoque, el movimiento de la herramienta es multidireccional. Un ejemplo de trayectoria de herramienta no lineal es la trayectoria de herramienta paralela al contorno.

En este enfoque, el límite de la cavidad requerida se utiliza para derivar la trayectoria de la herramienta. En este caso, la herramienta siempre está en contacto con el material de trabajo. Por lo tanto, se evita el tiempo de inactividad que se gasta en posicionar y retraer la herramienta. Para la eliminación de material a gran escala, la trayectoria de la herramienta paralela al contorno se utiliza ampliamente porque se puede utilizar de manera constante con el método de corte ascendente o descendente durante todo el proceso. Hay tres enfoques diferentes que entran en la categoría de generación de trayectorias de herramientas paralelas al contorno. Son:

• Enfoque de intersección por pares: En el enfoque de intersección por pares, el límite de la cavidad se lleva hacia adentro en pasos. Los segmentos desplazados se intersectarán en las esquinas cóncavas. Para obtener el contorno requerido, estas intersecciones se deben recortar. Por otro lado, en el caso de una esquina convexa, los segmentos desplazados se extienden y, por lo tanto, se conectan para formar el contorno. Estas operaciones, a saber, desplazamiento, recorte y extensión, se realizan repetidamente para cubrir todo el volumen de mecanizado con una capa suficiente de perfiles. ^[13]
• Enfoque del diagrama de Voronoi : en el enfoque del diagrama de Voronoi, el límite de la cavidad se segmenta y se construye un diagrama de Voronoi para todo el límite de la cavidad. Estos diagramas de Voronoi se utilizan para generar la trayectoria de la herramienta para el mecanizado. Este método se considera más eficiente y robusto. Además, evita los problemas topológicos asociados con los algoritmos de compensación tradicionales. ^{[14] [15]}

En este enfoque, la herramienta se desplaza a lo largo de una trayectoria espiral que evoluciona gradualmente. La espiral comienza en el centro de la cavidad que se va a mecanizar y la herramienta se mueve gradualmente hacia el límite de la cavidad. La dirección de la trayectoria de la herramienta cambia progresivamente y se minimizan la aceleración y desaceleración local de la herramienta. Esto reduce el desgaste de la herramienta. ^[16]

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  Trayectoria de la herramienta en zigzag
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  Trayectoria de la herramienta en zigzag
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  Trayectoria de la herramienta paralela al contorno
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  Trayectoria de herramienta curvilínea

Las fresadoras evolucionaron a partir de la práctica del limado rotatorio, es decir, el paso de una fresa circular con dientes similares a una lima en el cabezal de un torno . El limado rotatorio y, más tarde, el fresado real se desarrollaron para reducir el tiempo y el esfuerzo dedicados al limado manual. Es posible que nunca se conozca la historia completa del desarrollo de las fresadoras, porque gran parte del desarrollo inicial se llevó a cabo en talleres individuales donde se conservaron pocos registros para la posteridad. Sin embargo, se conocen las líneas generales, como se resume a continuación. Desde un punto de vista de la historia de la tecnología, está claro que el nombre de este nuevo tipo de mecanizado con el término "fresado" fue una extensión de los sentidos anteriores de esa palabra de procesar materiales mediante la abrasión de ellos de alguna manera (cortando, moliendo, triturando, etc.). El limado rotatorio precedió al fresado. Una lima rotatoria de Jacques de Vaucanson , alrededor de 1760, es bien conocida. ^{[17] [18]}

En 1783, Samuel Rehe inventó una verdadera fresadora. ^[19] En 1795, Eli Terry comenzó a utilizar una fresadora en Plymouth, Connecticut, en la producción de relojes de caja alta. Con el uso de su fresadora, Terry fue el primero en lograr piezas intercambiables en la industria relojera. El fresado de piezas de madera era eficiente en piezas intercambiables, pero ineficiente en altos rendimientos. El fresado de piezas en bruto de madera da como resultado un bajo rendimiento de piezas porque la hoja única de la máquina causaría la pérdida de dientes de engranaje cuando la fresa golpeara las vetas paralelas de la madera. Más tarde, Terry inventó una máquina de corte de husillo para producir piezas en masa en 1807. Otros relojeros de Connecticut como James Harrison de Waterbury, Thomas Barnes de Litchfield y Gideon Roberts de Bristol, también utilizaron fresadoras para producir sus relojes. ^[20]

Está claro que las fresadoras como una clase distinta de máquina herramienta (separada de los tornos que funcionan con limas rotativas) aparecieron por primera vez entre 1814 y 1818. Los centros de desarrollo más temprano de las verdaderas fresadoras fueron dos armerías federales de los EE. UU. ( Springfield y Harpers Ferry ) junto con las diversas armerías privadas y contratistas internos que compartían la facturación de trabajadores calificados con ellas. Entre 1912 y 1916, Joseph W. Roe , un respetado padre fundador de los historiadores de máquinas herramienta, atribuyó a Eli Whitney (uno de los fabricantes de armas privados mencionados anteriormente) la producción de la primera fresadora verdadera. ^{[21] [22]} En 1918, la consideró "Probablemente la primera fresadora jamás construida, sin duda la más antigua que existe ahora [...]". ^[23] Sin embargo, estudiosos posteriores, entre ellos Robert S. Woodbury ^[24] y otros, ^[25] han mejorado la versión inicial de la historia de Roe y sugieren que el mismo mérito —de hecho, probablemente más— pertenece a varios otros inventores, entre ellos Robert Johnson de Middletown, Connecticut ; el capitán John H. Hall de la armería de Harpers Ferry; Simeon North de la fábrica de Staddle Hill en Middletown; Roswell Lee de la armería de Springfield; y Thomas Blanchard . (Varios de los hombres mencionados anteriormente a veces son descritos en Internet como "el inventor de la primera fresadora" o "el inventor de las piezas intercambiables". Tales afirmaciones son demasiado simplificadas, ya que estas tecnologías evolucionaron con el tiempo entre muchas personas).

Peter Baida, ^[25] citando el artículo de Edward A. Battison "Eli Whitney y la fresadora", publicado en el Smithsonian Journal of History en 1966, ejemplifica la disipación de la imagen de " Gran Hombre " de Whitney por parte de los historiadores de la tecnología que trabajaban en los años 1950 y 1960. Baida cita a Battison, que concluye que "no hay evidencia de que Whitney desarrollara o utilizara una fresadora auténtica". Baida dice: "La llamada máquina Whitney de 1818 parece haber sido fabricada después de la muerte de Whitney en 1825". Baida cita la sugerencia de Battison de que la primera fresadora auténtica no fue fabricada por Whitney, sino por Robert Johnson de Middletown. ^[25]

Los últimos años de la adolescencia del siglo XIX fueron un momento crucial en la historia de las máquinas herramienta, ya que el período de 1814 a 1818 es también el período durante el cual varios pioneros contemporáneos ( Fox , Murray y Roberts ) estaban desarrollando la cepilladora , ^[26] y al igual que con la fresadora, el trabajo que se realizaba en varios talleres no estaba documentado por varias razones (en parte debido al secreto de propiedad, y también simplemente porque nadie estaba tomando registros para la posteridad).

James Nasmyth construyó una fresadora muy avanzada para su época entre 1829 y 1831. ^[27] Estaba diseñada para fresar los seis lados de una tuerca hexagonal que estaba montada en un dispositivo de indexación de seis vías .

Una fresadora construida y utilizada en el taller de Gay & Silver (también conocida como Gay, Silver, & Co) en la década de 1830 fue influyente porque empleaba un mejor método de posicionamiento vertical que las máquinas anteriores. Por ejemplo, la máquina de Whitney (la que Roe consideró la primera) y otras no preveían el desplazamiento vertical de la rodilla. Evidentemente, la suposición del flujo de trabajo detrás de esto era que la máquina se configuraría con calzas, tornillo de banco, etc. para un diseño de pieza determinado, y las piezas sucesivas no necesitarían ajuste vertical (o, como mucho, solo necesitarían calzas). Esto indica que en un principio se pensaba en las fresadoras como máquinas de producción y no como máquinas de taller de herramientas .

En aquellos primeros años, el fresado se consideraba a menudo una mera operación de desbaste seguida de un acabado con una lima manual. La idea de reducir el limado manual era más importante que sustituirlo .

Algunos de los hombres clave en el desarrollo de las fresadoras durante esta era incluyeron a Frederick W. Howe , Francis A. Pratt , Elisha K. Root y otros. (Estos mismos hombres durante la misma era también estaban ocupados desarrollando el estado del arte en tornos de torreta . La experiencia de Howe en Gay & Silver en la década de 1840 lo familiarizó con las primeras versiones de ambas máquinas herramienta. Sus diseños de máquinas herramienta se construyeron más tarde en Robbins & Lawrence , Providence Tool Company y Brown & Sharpe ). El diseño de fresadora más exitoso que surgió durante esta era fue elLincoln miller , que en lugar de ser una marca y modelo específico de máquina herramienta, es en realidad una familia de herramientas construidas por varias empresas con una configuración común a lo largo de varias décadas. Tomó su nombre de la primera empresa que puso una en el mercado, George S. Lincoln & Company (anteriormente Phoenix Iron Works), cuya primera se construyó en 1855 para la armería Colt . ^[28]

Durante esta era, el diseño de las fresadoras seguía teniendo sus puntos débiles, ya que varios diseñadores no consiguieron desarrollar un método realmente sencillo y eficaz para proporcionar un desplazamiento de la corredera en los tres ejes arquetípicos de las fresadoras (X, Y y Z, o como se los conocía en el pasado, longitudinal, transversal y vertical). Las ideas de posicionamiento vertical estaban ausentes o poco desarrolladas. El husillo de la fresadora Lincoln se podía subir y bajar, pero la idea original detrás de su posicionamiento era colocarlo en posición y luego hacerlo funcionar, en lugar de moverlo con frecuencia mientras estaba en funcionamiento. Al igual que un torno de torreta, era una máquina de producción repetitiva, en la que cada configuración especializada iba seguida de una operación extensa que requería poca habilidad.

En 1861, Frederick W. Howe, mientras trabajaba para la Providence Tool Company, le pidió a Joseph R. Brown de Brown & Sharpe una solución al problema de fresar espirales, como las estrías de las brocas helicoidales. Estas generalmente se limaban a mano en ese momento. ^[29] ( El cepillado helicoidal existía, pero no era en absoluto común). Brown diseñó una "fresadora universal" que, a partir de su primera venta en marzo de 1862, tuvo un gran éxito. Resolvió el problema del desplazamiento de 3 ejes (es decir, los ejes que ahora llamamos XYZ) de manera mucho más elegante que lo que se había hecho en el pasado, y permitió el fresado de espirales utilizando un cabezal de indexación alimentado en coordinación con la alimentación de la mesa. El término "universal" se le aplicó porque estaba lista para cualquier tipo de trabajo, incluido el trabajo en el taller de herramientas, y no estaba tan limitada en su aplicación como los diseños anteriores. (Howe había diseñado un "molinero universal" en 1852, pero el de Brown de 1861 es el que se considera un éxito innovador.) ^[29]

Brown también desarrolló y patentó (1864) el diseño de fresas formadas en las que los afilados sucesivos de los dientes no alteran la geometría de la forma. ^[18]

Los avances de la década de 1860 abrieron las compuertas y marcaron el comienzo de la práctica de molienda moderna.

En estas décadas, Brown & Sharpe y la Cincinnati Milling Machine Company dominaban el campo de las fresadoras estadounidenses. Sin embargo, cientos de otras empresas también fabricaban fresadoras en esa época, y muchas de ellas eran importantes en diversos sentidos. Además de una amplia variedad de máquinas de producción especializadas, la fresadora multiusos arquetípica de finales del siglo XIX y principios del XX era un diseño pesado de husillo horizontal de rodilla y columna con alimentación de mesa eléctrica, cabezal de indexación y un brazo superior robusto para sostener el eje. La evolución del diseño de las máquinas estuvo impulsada no solo por el espíritu inventivo, sino también por la constante evolución de las fresas que vieron un hito tras otro desde 1860 hasta la Primera Guerra Mundial . ^{[30] [31]}

Hacia el final de la Primera Guerra Mundial, el control de las máquinas herramienta avanzó de diversas maneras que sentaron las bases para la tecnología CNC posterior. El mandrilador de plantilla popularizó las ideas de dimensionamiento de coordenadas (dimensionamiento de todas las ubicaciones de la pieza a partir de un único punto de referencia); trabajando rutinariamente en "décimas" (diezmilésimas de pulgada, 0,0001") como una capacidad de máquina diaria; y usando el control para pasar directamente del dibujo a la pieza, evitando la fabricación de plantillas. En 1920, el nuevo diseño de trazador de JC Shaw se aplicó a las fresadoras trazadoras Keller para hundir matrices mediante la copia tridimensional de una plantilla. Esto hizo que el hundimiento de matrices fuera más rápido y fácil justo cuando las matrices tenían una mayor demanda que nunca, y fue muy útil para matrices de acero grandes como las que se usaban para estampar láminas en la fabricación de automóviles. Estas máquinas traducían los movimientos del trazador a la entrada para los servos que operaban los husillos de avance o el sistema hidráulico de la máquina. También estimularon el desarrollo de tuercas de husillo antijuego . Todos los conceptos anteriores eran nuevos en la década de 1920, pero se volvieron rutinarios en la era NC/CNC. En la década de 1930, existían fresadoras increíblemente grandes y avanzadas, como la Cincinnati Hydro-Tel, que presagiaba las fresadoras CNC actuales en todos los aspectos, excepto en el CNC. controlarse a sí mismo.

En 1936, Rudolph Bannow (1897-1962) concibió una mejora importante para la fresadora. ^[32] Su empresa comenzó a fabricar una nueva fresadora vertical de rodilla y columna en 1938. Esta fue la fresadora Bridgeport , a menudo llamada fresadora de tipo ariete o de tipo torreta porque su cabezal tiene montaje de ariete deslizante y torreta giratoria. La máquina se hizo tan popular que muchos otros fabricantes crearon copias y variantes. Además, su nombre llegó a connotar cualquier variante de este tipo . La Bridgeport ofrecía ventajas duraderas sobre los modelos anteriores. Era lo suficientemente pequeña, lo suficientemente ligera y lo suficientemente asequible como para ser una adquisición práctica incluso para las empresas de talleres mecánicos más pequeñas, pero también estaba diseñada de forma inteligente, era versátil, estaba bien construida y era rígida. Sus diversas direcciones de movimiento deslizante y pivotante permitían que el cabezal se acercara a la pieza de trabajo desde cualquier ángulo. El diseño de Bridgeport se convirtió en la forma dominante de las fresadoras manuales utilizadas por varias generaciones de maquinistas de pequeñas y medianas empresas . Se estima que en la década de 1980 se habían construido un cuarto de millón de fresadoras Bridgeport ^[32] , y estas (y sus clones) todavía se siguen produciendo hoy en día.

En 1940, la automatización mediante levas, como en las máquinas de tornillos y en los mandriles automáticos , ya llevaba décadas muy desarrollada. A partir de la década de 1930, las ideas que implicaban servomecanismos ya estaban en el aire, pero fue especialmente durante e inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial cuando empezaron a germinar (véase también Control numérico > Historia ). Estas pronto se combinaron con la tecnología emergente de las computadoras digitales . Este entorno de desarrollo tecnológico, que abarca desde el período inmediatamente anterior a la Segunda Guerra Mundial hasta la década de 1950, fue impulsado por los gastos de capital militar que persiguieron los avances contemporáneos en la dirección de la artillería de cañones y cohetes y en la guía de misiles , otras aplicaciones en las que los humanos deseaban controlar la cinemática / dinámica de grandes máquinas de forma rápida, precisa y automática. Probablemente no se habría producido un gasto suficiente en I+D solo en la industria de las máquinas herramienta; pero fue para estas últimas aplicaciones para las que se disponía de la voluntad y la capacidad de gastar. Una vez que el desarrollo estuvo en marcha, se aplicó con entusiasmo al control de máquinas-herramienta en uno de los muchos casos de transferencia de tecnología posteriores a la Segunda Guerra Mundial .

En 1952, el control numérico alcanzó la etapa de desarrollo de la realidad de laboratorio. La primera máquina herramienta de control numérico fue una fresadora Cincinnati Hydrotel equipada con una unidad de control numérico construida desde cero. Se informó sobre ella en Scientific American ^[33] , al igual que otra fresadora revolucionaria, la Brown & Sharpe Universal, en 1862.

Durante la década de 1950, el control numérico pasó lentamente del laboratorio al servicio comercial . Durante su primera década, tuvo un impacto bastante limitado fuera del trabajo aeroespacial. Pero durante las décadas de 1960 y 1970, el NC evolucionó al CNC, el almacenamiento de datos y los medios de entrada evolucionaron, la potencia de procesamiento de las computadoras y la capacidad de memoria aumentaron de manera constante, y las máquinas herramienta NC y CNC se difundieron gradualmente desde un entorno de grandes corporaciones y principalmente trabajo aeroespacial al nivel de corporaciones de tamaño mediano y una amplia variedad de productos. El avance drástico del control de máquinas herramienta NC y CNC transformó profundamente la cultura de la fabricación. ^[34] Los detalles (que están más allá del alcance de este artículo) han evolucionado enormemente con cada década que pasa.

Las computadoras y las máquinas herramienta CNC continúan desarrollándose rápidamente. La revolución de las computadoras personales tiene un gran impacto en este desarrollo. A fines de la década de 1980, los pequeños talleres de máquinas tenían computadoras de escritorio y máquinas herramienta CNC. Poco después, los aficionados, artistas y diseñadores comenzaron a obtener fresadoras y tornos CNC. Los fabricantes han comenzado a producir máquinas CNC de precio económico, lo suficientemente pequeñas como para colocarlas sobre un escritorio y que pueden cortar con alta resolución materiales más blandos que el acero inoxidable. Se pueden usar para hacer cualquier cosa, desde joyas hasta placas de circuitos impresos, piezas de armas e incluso bellas artes.

Se utilizan normas nacionales e internacionales para estandarizar las definiciones, los requisitos ambientales y los métodos de prueba utilizados para el fresado. La selección de la norma que se utilizará es un acuerdo entre el proveedor y el usuario y tiene cierta importancia en el diseño del molino. En los Estados Unidos, ASME ha desarrollado las normas B5.45-1972 Fresadoras y B94.19-1997 Fresas y fresas de extremo .

Las tolerancias generales incluyen: +/-0,005" (~0,1 mm) para tolerancias locales en la mayoría de las geometrías, +/-0,010" (~0,25 mm) para plásticos con variación según el tamaño de la pieza, 0,030" (~0,75 mm) de espesor de pared mínimo para metales y 0,060" (~1,5 mm) de espesor de pared mínimo para plásticos. ^[35]

• Fresado de árboles
• Fresadora CNC
• Molienda criogénica
• Mecanizado por descarga eléctrica
• Fresa
• Carpintería
• Mecanizado multieje
• Mecanizado fotoquímico
• Fresado de placas de circuito impreso
• Router (carpintería)
• Impresión 3D
• Rueda de molienda de grano

• Hounshell, David A. (1984), Del sistema americano a la producción en masa, 1800-1932: El desarrollo de la tecnología de fabricación en los Estados Unidos , Baltimore, Maryland: Johns Hopkins University Press , ISBN 978-0-8018-2975-8, LCCN  83016269, OCLC  1104810110
• Rolt, LTC (1965), Una breve historia de las máquinas herramienta, Cambridge, Massachusetts, EE. UU.: MIT Press, OCLC  250074. Coedición publicada como Rolt, LTC (1965), Herramientas para el trabajo: una breve historia de las máquinas herramientas , Londres: BT Batsford, LCCN  65080822.

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