CNC para la fabricación de piezas complejas

Introducción.

Aclarar que "piezas complejas" no se refiere a "difíciles", sino a aquellas cuya fabricación requiere el uso de varias herramientas de corte, o implican descomponer la pieza en un conjunto de sub-piezas, o la necesidad de emplear software de CAM, etc.

Vamos a fabricar una pieza para la maqueta de un barco, cuyo original se ve en las fotos adjuntas. Éstas han sido tomadas en el Английская набережная (malecón inglés) del río Neva, en Санкт-Петербург (San Petersburgo), Россия (Rusia), durante la parada naval del día de la Marina de Guerra, ВМФ. El barco es una Corbeta tipo "Nanuchka III", proyecto 1234.1 en la nomenclatura de la marina rusa.

Descripción del problema.

Al ser una maqueta a escala 1/50, las dimensiones de los detalles dificultan mucho su fabricación, ya que las cuchillas normalizadas son comparativamente muy grandes respecto de ellos.

La pieza que vamos a fabricar es básicamente un cilindro con diferentes rebajes, algunos de ellos suavizados con curvas que tendremos que reproducir. Vemos como en su parte media se produce un gran estrechamiento, de corta longitud.

Una vez comprobadas las medidas, vemos que la única cuchilla que podría encajar sería una de entallado, de sección de mango 8x8mm, pero así no se podría reproducir fielmente el perfil real de la pieza.

Por ello, una opción es dividir la pieza en dos partes. El cuerpo principal, y el “sombrero” superior.

Esto hace que el estrechamiento en la parte intermedia quede abierto por un lado, simplificando mucho la fabricación.

Material empleado y herramientas de corte necesarias.

Como la pieza no va a estar sometida a esfuerzos de ningún tipo, siendo solamente figurativa, decidimos fabricarla a partir de una barra de 16mm de diámetro de resina de poliuretano.

En cuanto a las cuchillas necesarias, se observa que necesitaremos perfilar, entallar y tronzar. Esto implica el uso de al menos dos herramientas de corte diferentes: La de perfilado y la de tronzado-entallado.

Los insertos que vamos a emplear se identifican con el código CCGT060204 (y en sistema británico llamados CCGT 21.51) con rompevirutas tipo "AK" (este código no es estándar pero lo emplean varios fabricantes), muy afilados, que permiten mecanizados exteriores con acabados excelentes, ya que cortan tan bien como una cuchilla HSS perfectamente afilada.

Los porta-herramientas son el SCMCN1010, SCLCR1010, etc que tienen mangos de 10mm de lado.

También emplearemos una herramienta de tronzado con insertos de 2,2mm de filo de corte.

Dibujo de la pieza en CAD

El programa de CAD puede ser cualquiera que sea capaz de guardar los dibujos en un formato compatible con programas de CAM, y que se usarán en la etapa siguiente. Son válidos formatos como DXF, o incluso DWG de AutoCAD.

Existen muchas versiones de software de formación, para su uso sin ánimo de lucro, que pueden sernos válidas.

A la hora de dibujar la pieza, no se dispone de planos de diseño, pero en una maqueta lo que se busca es una buena reproducción visual, y para esto es suficiente obtener las medidas a partir de fotos en alzado, planta y perfil.

Lo que necesitamos dibujar es el perfil 2D de la pieza (en realidad, su sección), ya que es quien define la trayectoria para las herramientas. Y como la pieza es simétrica respecto del eje, es suficiente con dibujar media sección.

Secciones 2D de las dos piezas que formarán el conjunto.

Como referencia de tamaño, se muestran con el filo de corte de la herramienta de entallado que tiene 8mm de sección de mango. Vemos que es muy grande.

Por ello, finalmente desechamos su uso, y nos decidimos por una herramienta de tronzado, con insertos de 2,2mm de filo de corte, cuya comparativa de tamaño respecto de la pieza, se muestra a continuación:

Software de CAM.

En esta etapa, el programa de CAM recibe el fichero de dibujo (DXF, DWG, etc), y genera como salida un archivo de comandos G (llamados familiarmente G-Codes) que podrá ser ejecutado por el programa de control de movimiento del sistema CNC (típicamente Mach3).

¿Qué función tiene este software de CAM?

Es un planificador de movimientos, que calcula, a partir de las condiciones de trabajo que definamos, la trayectoria que ha de seguir cada herramienta de corte, para cortar el material, de manera que obtengamos el perfil de pieza deseado.

Pero es un planificador de movimientos de alto nivel, en el sentido de que el archivo que genera es un “script” de comandos de muy alto nivel, que debe de servir para cualquier máquina.

A la hora de generar los archivos de G-Codes, que necesitamos para fabricar la pieza, necesitamos indicar a este software, diferentes parámetros y trayectorias, para cada pieza.

Forma de trabajar en CAM:

Definir el material.

Configuro el tipo de material, dimensiones de la barra de material, origen del sistema de coordenadas que preferimos usar, etc.

Definimos el perfil de pieza que habrá de fabricar el torno CNC.

Lo habitual es identificar primero las diferentes zonas que puedan ser fabricadas por una misma herramienta.

De esta forma, para cada herramienta que vayamos a emplear:

Definimos el tipo de pasada que queremos dar (desbastado, acabado), el avance, profundidad del corte, y lo que es más importante, el tipo de herramienta que vamos a utilizar, con sus medidas.

A veces, para cada herramienta, se subdividen los contornos que han de fabricar, en otros sub-contornos más pequeños, tratados de manera independiente, de forma que el software de CAM sea capaz de calcular la trayectoria más eficiente para cada tramo del perfil.

Finalmente se generará un archivo de G-Codes por cada herramienta y tramo del contorno que hayamos definido.

Pre-Mecanizado CNC.

En este ejemplo hemos dividido la pieza a reproducir, en dos piezas que habrán de encajar con precisión. Esto supone que debemos de fabricar dos contornos: uno por pieza.

A su vez, cada contorno ha sido subdividido en dos tipos de tramos: los que serán fabricados por la herramienta de perfilado, y los que serán fabricados por la herramienta de tronzado-entallado.

Además, el software de CAM, como regla general, te “obliga” a definir un mecanizado de desbastado y otro de afinado, para cada contorno.

Con toda esta cantidad de archivos de G-Codes, lo mejor es dedicar unos minutos a fusionar los archivos correspondientes al mismo tipo de herramienta de corte, independientemente de más consideraciones.

Una vez realizada esta tarea, tendremos dos archivos de G-Codes para cada pieza: Uno para la herramienta de afinado y otro para la herramienta de tronzado-entallado.

En este momento, recomiendo dedicar el tiempo que sea necesario para “pulir” el contenido de los archivos G-Codes. Los programas de CAM generan trayectorias muy “conservadoras”, que pueden ser fácilmente optimizadas “a mano”.

También recomiendo etiquetar el programa con textos suficientemente explicativos, de forma que cada parte quede identificada, y en el futuro nos sea más fácil corregirlos, realizar modificaciones, etc. Algo así creo que es suficiente:

.........

.........

.........

(SELECCIONO LA HERRAMIENTA 04)

T0404

(COMIENZA DESBASTADO DE LA PIEZA)

(SELECCIONO AVANCE)

F35

(ME POSICIONO RAPIDAMENTE)

G00 Z-8.5 X9

(CAMBIO A VELOCIDAD LENTA, PARA CORTAR)

G01 Z-8.92 X9

(BORDE RECTO DEL CONO)

G01 Z-8.92 X9

Z-8.92 X5.9

Z-6 X5.9

Z-6 X9

(EJE PARA ENCAJAR EN LA OTRA PIEZA)

(1ER TRAMO)

Z-10.45 X9

Z-10.45 X3.9

Z-10.45 X9

.........

.........

.........

Mecanizado CNC.

Lo llevaremos a cabo con el más conocido programa de mecanizado, a nivel semi-profesional: Mach3. ¿Qué función tiene este software?

Es un planificador de movimientos de bajo nivel. Recibe el archivo de comandos G-Codes, que es muy genérico, de muy alto nivel, y adapta cada orden a las características propias de nuestra máquina: El tipo de motores PaP que usamos, el paso de los husillos de nuestro torno, etc.

Por ejemplo, cuando Mach3 lee la orden G01 X10 en el archivo que generó el software de CAM (y que quiere decir que el carro transversal ha de desplazarse hasta la cota X=10mm respecto del origen de coordenadas), utiliza la información con la que está configurado, a través de la cual "conoce" a fondo nuestra máquina-herramienta, y con todo ello calcula el número de pulsos que ha de enviar a nuestro motor paso a paso del carro transversal, para que lleve a cabo un desplazamiento efectivo del carro hasta esa posición. A continuación se los envía, y es cuando vemos que el carro transversal se mueve.

Fabricación de la pieza 1

Incluye un proceso de perfilado, un entallado, un taladrado, y un tronzado.

Fabricación de la pieza 2

Incluye un proceso de perfilado, un entallado y un tronzado.

Resultado final.

Reflexiones sobre algunos puntos del proceso descrito:

Resina de poliuretano como material base.

La selección de este material se justifica en sus magníficas propiedades para el mecanizado.

En la fabricación de piezas figurativas, o para un hilo didáctico sobre técnicas de CNC, permite obviar el problema del acabado, y su relación con el avance y profundidad de la pasada, que son un quebradero de cabeza permanente.

De esta forma, nos podemos centrar en los pasos que conlleva la fabricación CNC.

Tabla de herramientas, y Mach3

En otro apartado de esta web:

Tabla de herramientas, y Mach3

explico cómo se configura en Mach3 el uso de herramientas de corte muy diferentes (con mangos de sección distinta, etc). Con ello nos introduciremos en el concepto de "Tabla de herramientas", sus offset, la compensación del desgaste de la cuchilla...

Como vemos, en este hilo se ha empleado una herramienta de corte acodada y una herramienta de tronzado-entallado, ésta del fabricante Glanze, y que tiene una forma muy peculiar.

Debido a ello, es imposible que el "punto controlado" de ambas cuchillas tengan a priori las mismas coordenadas X-Y. (suele considerarse como "punto controlado", a la punta izquierda de la herramienta, aunque es configurable). Para que esto no afecte al mecanizado, hay que calibar estas diferencias, e indicárselas a Mach3, para que las gestione de forma transparente para nosotros.

Realizar esta configuración es muy importante, y hay que hacerla al principio. El software de CAM permite configurar las medidas de cada herramienta, pero da por hecho que sus "puntos controlados" coinciden en su posición espacial (X-Y y por supuesto, Z).