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May 16, 2023

Haciendo la conexión

Figura 1. Un portaherramientas transfiere el movimiento de la máquina herramienta a la herramienta de corte.

Figura 1. Un portaherramientas transfiere el movimiento de la máquina herramienta al propio filo de corte.

Los portaherramientas proporcionan la conexión crítica entre el husillo de una máquina y la herramienta de corte. Son responsables de sujetar con seguridad la herramienta para velocidades extremadamente altas, evitar el descentramiento excesivo y mantener el equilibrio. Canadian Metalworking habló con Jack Burley, vicepresidente de ventas e ingeniería de Big Kaiser Precision Tooling Inc., sobre los conceptos básicos del portaherramientas, incluidos los sistemas comunes, un poco de historia, y lo que puede deparar el futuro.

Burley tiene más de 30 años de experiencia en la industria. Como miembro del Comité Técnico de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME), revisa anualmente los diseños de portaherramientas recomendados, las mejoras sugeridas y los cambios solicitados a los fabricantes.

CM:¿Cuál es el trabajo básico del portaherramientas?

Jack Burley: Un portaherramientas transfiere el movimiento de la máquina herramienta al propio filo de corte. Junta el conjunto total(ver Figura 1).

Cada máquina sigue un estándar de portaherramientas diferente, por lo que existen miles de variedades y adaptaciones. Un fabricante debe saber o evaluar qué tipo de estándar tiene una máquina para su cargador y cambiador automático de herramientas.

CM:¿Cuáles son los tipos de portaherramientas más comunes?

Burley: Hay tres portaherramientas comunes de tipo cónico empinado. Las conicidades pronunciadas tienen una tasa de conicidad de 7 a 24, lo que significa que por cada 7 pulgadas en Y hay 24 pulgadas en X, o una conicidad de 3-1/2 pulgadas por pie.

En Norteamérica el estilo más común es el CAT 40 y 50(ver Figura 2a) . Se basa en el estándar ASME B5.50, que existe desde finales de los años 70. El estándar fue desarrollado por Caterpillar Inc., que era un usuario importante de máquinas herramienta con cambiadores automáticos de herramientas. La empresa dictó cómo se verían los portaherramientas si los fabricantes de máquinas herramienta quisieran vendérselos. Querían la estandarización.

Hasta entonces, cada OEM tenía una forma diferente de sujetar las herramientas. No había intercambiabilidad. Varias empresas de portaherramientas y fabricantes de máquinas herramienta se unieron a Caterpillar y algunos otros fabricantes, refinaron el diseño y lo convirtieron en un nuevo estándar.

Los fabricantes de máquinas-herramienta japoneses y asiáticos se decidieron por el BT(ver Figura 2b) , un estándar industrial japonés (JIS) que ha existido tanto tiempo como el estándar CAT. La conicidad en sí, los diámetros, las longitudes, son las mismas que las del CAT. Los portaherramientas CAT y BT caben en el mismo husillo si se cargan a mano. La diferencia está en el mecanismo del cambiador de herramientas: la forma en que el cambiador automático de herramientas sujeta el portaherramientas para cambiarlo del cargador al husillo.

Figura 2a. La principal diferencia entre un portaherramientas CAT y BT es la ranura en V del mango. Véase también 2b.

El estándar europeo DIN hizo lo mismo con el diseño CAT. Las dimensiones del portaherramientas son las mismas que las del CAT, pero las medidas están en sistema métrico.

CM:¿Qué tienen de diferente los portaherramientas HSK?

Burley: El mecanizado de alta velocidad comenzó a popularizarse en los años 90, especialmente en la industria aeroespacial, donde comenzaron a mecanizar piezas monolíticas como puntales de ala a partir de palanquillas en lugar de utilizar procesos de fabricación. Se utilizó mucho mecanizado de alta velocidad para producir estas piezas rápidamente.

Los sistemas de portaherramientas disponibles en ese momento no eran tan capaces de este tipo de mecanizado en comparación con el vástago cónico hueco alemán, hohlshaft kegel (HSK) en alemán, que tiene una conicidad menos profunda en una relación de 1 a 10(ver Figura 3). Desde entonces, el HSK se ha estandarizado según las especificaciones ISO (12164-1, -2). Varios tamaños de portaherramientas HSK están disponibles en diferentes formas para adaptarse a máquinas pequeñas y grandes. Por ejemplo, la forma A es para maquinado de propósito general y la forma E o F es para maquinado de alta velocidad. Los formularios tienen diferentes características según el estándar que sigan(ver Figura 4).

En su mayor parte, el mercado se ha asentado en el formulario A HSK que es el más común a nivel internacional. Es realmente uno de los únicos portaherramientas estándar en todo el mundo. Ha sido adoptado en Japón, América del Norte y Europa. Lo vemos y lo vendemos aquí, pero no es tan común como los portaherramientas cónicos CAT.

CM:¿Qué pasa con la conexión de la herramienta de corte?

Burley: Lo que yo llamo el segundo extremo del portaherramientas sostiene las herramientas de corte. Las herramientas (taladros, fresas, machos de roscar, escariadores) suelen ser cilíndricas con un mango recto.

El portabrocas es la forma más común de sostener un taladro y viene en tamaños desde muy pequeños hasta muy grandes. Cada collar tendrá una variedad de tamaños de herramientas. Cuando la tuerca sujeta una herramienta en el portaherramientas, generalmente hay alrededor de 0,020 pulgadas de colapsabilidad en el portaherramientas.

Por ejemplo, un 5/8-in. la pinza para una herramienta de 0,625 de diámetro seguirá sujetando una herramienta de 0,620 de diámetro. El 0.625 es el diámetro máximo, un 0.605 sería el mínimo. Un mandril de pinza es muy universal y puede contener muchas herramientas. Existe un estándar de calidad ER para mandriles de pinza y hay sistemas patentados de fabricantes de pinzas que tienen ángulos ligeramente diferentes diseñados para proporcionar más concentricidad y precisión.(ver Figura 5).

El mandril de boquilla es bueno para condiciones de mecanizado de uso general. Otras herramientas que deben usarse para el fresado de acabado de desbaste de servicio pesado.

Figura 2b. El ángulo o tasa de conicidad en los portaherramientas CAT y BT es el mismo, aproximadamente 16 grados.

CM:¿Hay alguna alternativa al portabrocas?

Burley: Un soporte de fresa de extremo de bloqueo lateral es la otra forma popular de sostener la herramienta. Un tornillo de fijación se engancha con una sección plana en una herramienta de vástago recto para asegurarla en el soporte. Proporciona mucho contacto, pero cada soporte se adapta a una herramienta de un solo tamaño.(ver Figura 6).

La sujeción es muy segura, pero el descentramiento y la rigidez no son muy buenos. Es una tecnología bastante antigua para el fresado de extremos de uso general, pero sigue siendo popular porque es económica en comparación con otros sistemas portaherramientas.

CM:¿Cómo encaja el ajuste por contracción?

Burley: La tecnología de ajuste por contracción proporciona una conexión muy sólida entre la herramienta y el portaherramientas. Se ha vuelto bastante popular en los últimos 20 años.

Durante el proceso de conexión, el orificio de la herramienta se calienta a 1,000 grados F para que se expanda lo suficiente como para permitir que la herramienta de corte caiga. Cuando el portaherramientas se enfría a temperatura ambiente (algunos sistemas de ajuste por contracción tienen enfriamiento incorporado), se contrae de nuevo a su tamaño original y se comprime alrededor de la herramienta(ver Figura 7) . Este emparejamiento da como resultado un descentramiento extremadamente pequeño y una muy buena fuerza de agarre.

Solo cabe una herramienta de un tamaño en cada portaherramientas de ajuste por contracción. Es un sistema muy práctico para el fresado de extremos donde los mangos de las herramientas son todos del mismo tamaño.

CM:Háblanos de los mandriles hidráulicos.

Burley: Una cámara hidráulica está ubicada dentro de un mandril hidráulico. Cuando se comprime el pistón, el fluido hidráulico alrededor del orificio del portaherramientas se comprime para proporcionar una fuerza de sujeción muy fuerte. Un tornillo hexagonal sujeta y suelta la herramienta(ver Figura 8).

CM:¿Cuál parece ser el mandril más popular?

Figura 3a. Los portaherramientas HSK tienen una conicidad menos profunda que los tipos CAT o BT.

Burley:El mandril de fresado(ver Figura 9) . Funciona con un sistema de rodamientos roll lock. A medida que la tuerca se aprieta, comprime el orificio del portaherramientas para proporcionar un factor de rigidez muy alto. Este tipo de portaherramientas normalmente supera a otros por un factor de dos. Es un poco más caro pero permite el uso de pinzas. Una llave de sujeción es todo lo que se necesita para asegurar la herramienta.

Los platos de fresado tienen una productividad más alta que cualquier otra cosa en el mercado en cuanto a soportes de fresas de desbaste, fresas ranuradoras o incluso cuando se usan con fresas frontales. No es una primera opción para usar con taladros.

CM:¿Hay otros portaherramientas que deberíamos discutir?

Burley: Además de los portaherramientas de mango cilíndrico, existen sistemas como los portafresas que son estándar para las fresas frontales. Para apretar se utilizan tornillos de seguridad o tornillos de cabeza hueca, según las especificaciones del fabricante.

Luego, con tecnologías más nuevas, como máquinas multieje que tornean y fresan, tuvimos la introducción de portaherramientas que pueden trabajar con ambos procesos de corte.(ver Figura 10).

CM:¿Cómo eliges?

Burley: En particular, con tecnologías que brindan mayores tasas de eliminación de material y mejores acabados superficiales, todo se reduce a la calidad del rendimiento en función de lo que se gasta. No espere mucho rendimiento de los sistemas menos costosos. Una mayor inversión proporciona un sistema de mayor rendimiento y una mayor vida útil de la herramienta debido a la reducción del descentramiento.

Me gustaría decir que por cada 0,0001 pulg. de descentramiento, aumenta o disminuye la vida útil de la herramienta en un 20 por ciento; por ejemplo, si pongo un 3/8-in. taladre un portabrocas y obtenga 0,0005 pulg. de desviación antes de usar. Pero si el descentramiento se reduce a 0,0004 pulg., la vida útil de la herramienta aumentaría en un 20 por ciento. Por el contrario, si pasa de 0,0005 pulg. a 0,0006 pulg., la vida útil de la herramienta se reducirá en un 20 por ciento.

Las herramientas de corte pueden ser costosas y, si se desechan antes de que alcancen su vida útil esperada, los costos aumentan. Pagar un poco más por un portaherramientas de alta precisión proporcionará un buen ROI y luego pagará dividendos.

CM:¿Que sigue?

Figura 3b. Un tipo HSK-F sin ranuras ni agujeros lo hace más adecuado para el mecanizado de alta velocidad en máquinas más pequeñas.

Burley: La gran pregunta es cuál será el próximo estándar basado en la evolución de las máquinas herramienta. ¿Cómo cambiará la interfaz del portaherramientas? ¿Será un cambio significativo o una mejora a un sistema actual?

En este punto no veo nada monumental en el horizonte.

Big Kaiser Precision Tooling Inc., 888-866-5776, www.us.bigkaiser.com