Optimización de la trayectoria en operaciones de fresado de cara: impacto en costes, energía y emisiones de CO₂
Optimización de la trayectoria en operaciones de fresado de cara: impacto en costes, energía y emisiones de CO
El fresado de cara es una operación de mecanizado fundamental para generar superficies planas con alta precisión. Tradicionalmente, se ha optimizado en función de parámetros como la velocidad de corte, el avance y la profundidad de corte. Sin embargo, la trayectoria seguida por la herramienta también juega un papel crucial en la eficiencia general del proceso, tanto en términos de consumo de energía como en los efectos habituales sobre la vida útil de la herramienta, la productividad y la calidad de la superficie.
Tipos de trayectorias en fresado de cara
Gracias al desarrollo de los sistemas CAM, ahora disponemos de una amplia gama de opciones de trayectorias de mecanizado para superficies de desbaste y acabado. Entre todas estas opciones, hay una diferencia principal: algunas operaciones mantienen la herramienta siempre en contacto con la pieza, mientras que otras incluyen movimientos sin corte (no de corte).
Podemos clasificarlas en cuatro categorías básicas:
Unidireccional
: Es la operación más básica y sencilla de programar. La herramienta trabaja con trayectorias lineales en la misma dirección y regresa sin cortar. Se obtienen acabados superficiales aceptables, pero si se utiliza entrada directa, esto puede afectar a la vida útil de la herramienta y aumentar el tiempo total del ciclo.
Zig-zag (bidireccional)
: Movimientos lineales con la herramienta moviéndose en ambas direcciones, reduciendo los tiempos de inactividad, pero con efectos negativos en la calidad superficial resultante. Controlar los cambios de dirección puede afectar a la vida útil de la herramienta.
Espiral
: Ya sea hacia o desde el interior de la pieza, permite realizar cortes continuos con un empañe controlado, ofreciendo buenos acabados superficiales y un buen control de la vida útil de la herramienta, a la vez que reduce los tiempos de mecanizado.
Adaptativas y trocoidales
: Trayectorias que optimizan el contacto herramienta‑material manteniendo un empañe radial controlado, mejorando la calidad superficial. Suelen incluir pequeños movimientos sin corte en zonas de difícil acceso, pero su objetivo es mantener la herramienta en contacto el máximo tiempo posible. Son muy recomendables para materiales difíciles de mecanizar.
Cada una de estas trayectorias tiene diferentes implicaciones en términos de tiempo de mecanizado, carga de trabajo, consumo de energía y generación de calor.
Emisiones de CO
En este artículo, abordaremos principalmente el efecto energético de las trayectorias comparando aquellas que mantienen un contacto constante entre la herramienta y la pieza con aquellas que, por su configuración y diferente orientación, implican movimientos sin corte (no corte). Para ilustrar esta comparación, utilizaremos una trayectoria unidireccional alternativa y una trayectoria en espiral desde el exterior, ambas en las mismas condiciones de corte, y compararemos el consumo de energía de ambas opciones. Posteriormente, compararemos ambas trayectorias con mejores condiciones de corte.
Podemos calcular la potencia consumida en diferentes materiales, seleccionados de una amplia base de datos, y utilizando combinaciones específicas de herramientas y geometrías de plaquitas, durante una operación de fresado utilizando la "Guía de herramientas", disponible en este enlace.
Guía de herramientas
Para una operación de fresado de cara con la CM345 ref 345-050Q22-13H Z6, con plaquitas 345R-1305M-PM 1230, sobre una pieza de acero 32CrMoV12-28 P3.0.Z.AN de 230 Hb, partiremos de estas dos condiciones de corte, lo que nos dará dos consumos de potencia de corte diferentes.
Durante el movimiento rápido a velocidades de 5 000 a 10 000 mm/min (sin carga de corte) en una máquina CNC convencional de 5 ejes con una potencia máxima de 40 kW, el consumo de energía típico oscila entre 4 y 7 kW. Para nuestro ejemplo, usaremos 5,5 kW como valor de cálculo.
Los componentes que componen este consumo básico de la máquina son:
Software y equipo electrónico de la máquina.
El movimiento de la máquina y la rotación del husillo de corte. Cuanto mayor sea la velocidad de avance, mayor será la demanda de energía.
Este rango es útil para estimar el consumo de energía durante las fases de posicionamiento rápido o los movimientos entre operaciones, especialmente en ciclos de mecanizado intensivos.
Casos de estudio
Caso 1: Trayectorias unidireccionales vs. espirales.
En una operación de fresado de cara sobre una chapa de acero de 250 x 250 mm, se compararon dos trayectorias: unidireccional y espiral. La trayectoria en espiral tiene una longitud de corte total de 1 250 mm, lo que equivale a 38,26 segundos de tiempo de corte. En el trayecto unidireccional existen 5 trayectos de 300 mm cada uno, a los que hay que sumar 4 trayectos de retorno con un avance de mesa de 7 500 mm/min. Esto permite completar el mecanizado total en 45,918 9,6 55,51 segundos, un aumento debido al tiempo de retorno sin corte.
La potencia de corte es de 16,7 kW y la potencia consumida durante los movimientos sin corte es de 5,5 kW. Por lo tanto, el consumo total de energía durante el tiempo de corte es de 0,2276 kWh para la trayectoria unidireccional y de 0,1774 kWh para la trayectoria espiral. El gráfico ofrece una visión más clara del ahorro en kWh.
Comparación entre trayectorias unidireccionales y espirales
Caso 2: Comparación entre las condiciones de corte originales y superiores Fz0,4.
Ya hemos visto cómo los movimientos sin corte de la máquina afectan al consumo de energía. Ahora, si tomamos nuestro segundo conjunto de condiciones de corte, con un avance por diente de 0,4 mm, podemos observar el efecto del aumento de los parámetros de corte en ambos consumos de energía. La potencia de trabajo aumentará a 18,1 kW, pero el tiempo de corte para la trayectoria en espiral se reducirá a 33,48 segundos. En la operación unidireccional, el tiempo de corte será de 40,17 9,6 50,07 segundos. Por lo tanto, el nuevo consumo total de energía durante el tiempo de corte es de 0,2166 kWh para la trayectoria unidireccional y de 0,1683 kWh para la trayectoria espiral.
Se trata de un resultado contrario a la intuición, ya que con una mayor potencia de corte obtenemos un menor consumo energético total gracias a la reducción del tiempo de ciclo.
Efecto de aumento del avance en trayectorias unidireccionales
Efecto del aumento del avance en trayectorias unidireccionales
Análisis de costes de energía y máquinas CNC por región
La siguiente tabla presenta un análisis comparativo de los costes energéticos, las tarifas horarias de las máquinas CNC y las emisiones medias de CO por kilovatio-hora (kWh) en diferentes regiones. Estos datos son útiles para evaluar el impacto medioambiental y económico de las operaciones de CNC a nivel mundial.
Y aquí están los datos de todos los casos estudiados: kWh y emisiones de CO y costes basados en datos medios de todas las regiones.
Conclusión
La elección de la trayectoria en las operaciones de fresado de cara no solo afecta a la calidad y la productividad, sino que también tiene un impacto directo en la sostenibilidad del proceso: costes energéticos, costes directos de la máquina y emisiones de CO a la atmósfera. La adopción de trayectorias optimizadas a través de un software CAM avanzado permite:
Mejorar la eficiencia energética.
Reducir el desgaste de la herramienta.
Reducir las emisiones de CO.
Reducir el coste directo de mecanizado y aumentar la capacidad productiva.
Para el consumo de CO, la reducción es del 26 %
cuando se compara la trayectoria unidireccional con Fz0,35 con la trayectoria espiral con Fz0,4. Esto también se traduce en una
reducción económica del 40 %.
En un entorno industrial cada vez más centrado en la sostenibilidad, estas decisiones técnicas pueden marcar una gran diferencia. Seleccionar herramientas que nos permitan trabajar en las más altas condiciones de corte conseguirá tanto ahorros económicos directos como reducciones de emisiones de CO.
Alvaro Ruiz
Global product solution specialist Milling
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