ES2223999T3 - Maquina fresadora y procedimiento de fresado. - Google Patents
Maquina fresadora y procedimiento de fresado.Info
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Abstract
Máquina fresadora con asistencia de láser, que comprende - una unidad de fresado con un husillo de trabajo (4) accionado por motor y destinado a recibir una herramienta de fresado (6), - una mesa de trabajo (18) para sujetar piezas de trabajo, - guías y órganos de accionamiento para generar movimientos relativos de la unidad de fresado y de la mesa de trabajo (18) en tres direcciones del espacio, y - un dispositivo de láser (12) para emitir un rayo láser (14), caracterizada porque la herramienta de fresado es una fresa de cabeza esférica y porque la máquina fresadora comprende - soportes (30, 32) y órganos de accionamiento (36, 38) para generar un movimiento de precisión del dispositivo de láser (12) en torno a un punto del eje del rayo, orbitando el rayo láser (14) en torno a un eje central (48) que corta al eje del husillo de trabajo (4) bajo un ángulo agudo, y presenta - soportes y órganos de accionamiento para hacer girar y/o bascular la mesa de trabajo (18) en torno a al menos un eje (22, 24).
Description
Máquina fresadora y procedimiento de fresado.
La invención se refiere a una máquina fresadora
3D con asistencia de láser según el preámbulo de la reivindicación 1
y a un procedimiento de fresado 3D con asistencia de láser según el
preámbulo de la reivindicación 7.
Una máquina fresadora 3D contiene una unidad de
fresado con un husillo de trabajo accionado por motor y destinado a
recibir una herramienta de fresado, una mesa de trabajo para sujetar
piezas de trabajo, y guías y órganos de accionamiento para generar
movimientos relativos de la unidad de fresado y de la mesa de
trabajo en tres direcciones del espacio. Se conoce por el documento
US-4,733,049 una máquina fresadora de esta clase que
contiene, además, un dispositivo de láser para emitir un rayo láser
que hace posible una mecanización de fresado con asistencia de
láser. Se conoce por el documento DE 199 10 880 A1 una máquina
fresadora que contiene, además, un dispositivo de láser para emitir
un rayo láser que hace posible, alternativamente a la mecanización
de fresado, una mecanización de piezas de trabajo por medio de un
rayo láser.
Los materiales especiales, como, por ejemplo,
cerámicas o determinados aceros, se fresan ventajosamente con
asistencia de láser. En este caso, un rayo láser calienta
parcialmente la pieza de trabajo para llevar la zona de corte a una
temperatura a la que se pueden arrancar virutas más fácilmente del
material, especialmente con mayores velocidades de corte. En el
documento US 5,906,459 se describen diferentes procedimientos de
fresado asistido por láser.
Las superficies de forma libre se fresan
normalmente con una fresa de cabeza esférica como la que se ha
descrito, por ejemplo, en el documento DE 39 22 463 A1. Sin
embargo, en el caso de materiales especiales duros no es posible un
fresado de superficies de forma libre, sino solamente un rectificado
con diamante en el que los volúmenes de arranque de virutas son muy
pequeños.
La invención indicada en las reivindicaciones 1 y
7 hace posible una mecanización por fresado de superficies de forma
libre con asistencia de láser.
En la mecanización de superficies de forma libre
por medio de fresas de cabeza esférica se presentan constantemente
variaciones de dirección. Dado que el dispositivo de láser en la
máquina fresadora según la invención está montado de modo que puede
realizar un movimiento de precisión en torno a un punto del eje del
rayo en el que se encuentra la cabeza esférica, se puede conseguir
mediante un sencillo movimiento mecánico del dispositivo de láser
que la mancha focal del láser sobre la superficie de la pieza de
trabajo se adelante siempre a la fresa de cabeza esférica en cierta
distancia para calentar en lo posible toda la sección transversal de
arranque de virutas. Durante una variación de dirección la mancha
focal del láser sigue a una parte de la trayectoria circular o
elíptica en torno a la cabeza esférica. Esto hace posible que la
mesa de trabajo giratoria o basculable mantenga constante el ángulo
de ataque de la fresa de cabeza esférica con la superficie de la
pieza de trabajo en el punto de mecanización actual en al menos un
plano para que en los filos de la fresa reinen siempre condiciones
de intervención óptimas y, por tanto, pueda elegirse una velocidad
de avance lo más grande posible.
Preferiblemente, el dispositivo de láser está
montado de forma cardánica en un punto del eje del rayo, por ejemplo
en un estribo en U giratorio, y está montado excéntricamente en un
punto del eje del rayo distanciado del anterior, especialmente en
un grupo constructivo de excentricidad que hace posible un ajuste de
la amplitud del movimiento de precisión.
El dispositivo de láser está fijado
preferiblemente a una cabeza de fresado en la que está montado el
husillo de trabajo. Una fijación regulable hace posible una
adaptación rápida a diferentes longitudes de fresa y diámetros de
fresa.
Una fuente de luz láser adecuada podría estar en
principio integrada ciertamente en el dispositivo de láser, pero en
una forma de ejecución preferida está prevista una fuente de luz
láser separada que está unida a través de un conductor óptico
flexible con una óptica de láser que forma el dispositivo de láser
móvil de la máquina fresadora.
Dado que el rayo láser no deberá incidir en la
fresa de cabeza esférica, el movimiento de la mancha focal del láser
en torno a la cabeza esférica está limitado sustancialmente a un
semicírculo o una semielipse (debido al ángulo entre el eje del rayo
láser y el eje del husillo de trabajo la mancha focal del láser no
sigue en general sobre la pieza de construcción una trayectoria
circular, sino una trayectoria elíptica). Por tanto, entra en
consideración en primer lugar como estrategia de fresado un fresado
por palpado en el que se varía la dirección de fresado en no más de
180º. Sin embargo, con ciertas limitaciones son posibles también
otras estrategias de fresado.
Otras características y ventajas de la invención
se desprenden de la descripción siguiente de un ejemplo de ejecución
con referencia al dibujo. Muestran en éste:
la figura 1, una vista de una cabeza de fresado
con un grupo constructivo de láser montado en ella y una mesa de
trabajo giratoria y basculable con pieza de trabajo,
la figura 2, un fragmento de la figura 1 en la
zona de mecanización para ilustrar las posibilidades de movimiento,
y
las figuras 3a y 3b, sendas vistas del grupo
constructivo de láser en dirección longitudinal y en dirección
longitudinal.
La figura 1 muestra una cabeza de fresado 2 de
una máquina fresadora 3D, vista desde delante, especialmente una
máquina fresadora de pórtico como la que es conocida por el
documento DE 34 04 869 A1 y de cuya descripción detallada se
prescinde aquí. Así, una máquina fresadora contiene en general una
unidad de fresado con un husillo de trabajo 4 accionado por motor y
destinado a recibir una herramienta de fresado, una mesa de trabajo
18 para sujetar piezas de trabajo, y guías y órganos de
accionamiento para generar movimientos relativos de la unidad de
fresado y la mesa de trabajo en tres direcciones del espacio.
En la cabeza de fresado 2, que forma la unidad de
fresado, está montado en posición centrada un husillo de trabajo 4
cuyo eje discurre verticalmente en las figuras 1 y 2. El husillo de
trabajo 4 es accionado para girar en torno a su eje por medio de un
motor no visible en las figuras y contiene un ánima axial destinada
a recibir diferentes herramientas, por ejemplo una fresa 6 de cabeza
esférica (figuras 1 y 2).
Lateralmente en la cabeza de fresado 2 se
encuentra un grupo constructivo de láser 8 (figuras 3a y 3b). El
grupo constructivo de láser 8 está incorporado en un armazón 10 que
contiene un dispositivo de láser en forma de una óptica de láser 12
que recibe luz láser de una fuente de luz láser exterior a través de
un conductor óptico flexible no mostrado y que genera un rayo láser
concentrado 14 que incide, a través de un cristal de protección 16,
en una región situada debajo del husillo de trabajo 4 en la que se
encuentra en funcionamiento la cabeza de la fresa 6 de cabeza
esférica.
En su extremo delantero vuelto hacia el cristal
de protección 16 la óptica de láser 12 está suspendida en un soporte
cardánico 30. En su extremo trasero, en el que recibe la luz láser,
la óptica de láser 12 está montada en un grupo constructivo de
excentricidad 32 que hace posible un movimiento de precisión de la
óptica de láser 12 en torno al soporte cardánico delantero 30. El
rayo láser 14 orbita aquí en torno a un eje central del movimiento
de precisión, que corta el eje del husillo de trabajo 4 en el lugar
de ubicación de la cabeza de la fresa 6 de cabeza esférica bajo un
ángulo agudo de aproximadamente 40º. Esto sirve para compensar
variaciones de dirección o excursiones del punto de contacto en la
periferia de la fresa 6 de cabeza esférica bajo un ángulo de ataque
constante con respecto a la superficie de la pieza constructiva en
ambos planos o al menos en uno de ellos.
El grupo constructivo de láser 8 está fijado a la
cabeza de fresado 2 de manera regulable en dirección vertical para
que la distancia entre el husillo de trabajo 4 y el foco del rayo
láser 14, dibujada con una flecha de doble cabeza, puede adaptarse a
la longitud de proyección volada de la fresa 6 de cabeza
esférica.
La mesa de trabajo 18 sirve para sujetar una
pieza de trabajo 46 para mecanizarla por medio de la fresa 6 de
cabeza esférica con asistencia del rayo láser 14.
Mientras que en las máquinas fresadoras de
pórtico corrientes de tres ejes la mesa de trabajo 18 está orientada
siempre con el mismo ángulo respecto de la máquina fresadora, la
máquina fresadora aquí descrita dispone, además, de cojinetes y
órganos de accionamiento para hacer girar y/o bascular la mesa de
trabajo 18 en torno a al menos un eje. Como puede apreciarse en la
figura 1, la mesa de trabajo 18 puede ser hecha bascular por medio
de un servomotor digital en torno a un eje 22 que discurre
perpendicularmente al eje del husillo de trabajo 4. Además, la mesa
de trabajo 18 puede girar en torno a un eje 24 que discurre paralelo
al eje del husillo de trabajo 4, pudiendo realizarse el giro a
motor, por ejemplo sobre una bancada 26 de la máquina que lleva el
grupo constructivo basculante anteriormente descrito.
Se describe ahora el grupo constructivo de láser
8 con más detalle haciendo referencia a las figuras 3a y 3b. La
óptica de láser 12 tiene una carcasa cilíndrica (o bien
paralelepipédica) que está montada de forma giratoria para la
suspensión cardánica anteriormente mencionada en las alas de un
estribo en U 30 que a su vez está montado de forma giratoria en su
base. En su otro extremo la óptica de láser 12 está montada en el
grupo constructivo de excentricidad 32, que contiene una placa de
fijación 34 en la que está montada de forma giratoria una rueda
dentada 36. La rueda dentada 36 tienen un agujero central a través
del cual pasa la óptica de láser 12. La rueda dentada 36 puede ser
hecha girar en torno a su eje por medio de un motor de accionamiento
38 y la rueda dentada de accionamiento 37. En el lado opuesto de la
placa de fijación 34 se encuentra dentro de un anillo exterior 40
unido con la rueda dentada 36 un cojinete liso oscilante 42 cuya
excentricidad con respecto al anillo exterior 40 es ajustable hasta
un valor máximo de, por ejemplo, 10 mm. El cojinete liso oscilante
42 abraza a la carcasa de la óptica de láser 12 con ajuste exacto y
está sólidamente unido con ésta.
Existen posibilidades de reglaje en la dirección
longitudinal del grupo constructivo de láser 8 para ajustar la
distancia de trabajo entre el cristal de protección 16 y la
superficie de la pieza de trabajo (por ejemplo: \pm30 mm), así
como para orientar el eje del rayo láser 14 con respecto al eje del
husillo de trabajo 4 (por ejemplo: intervalo de ajuste -7 a +10 mm
en el extremo delantero de la óptica de láser 12).
El grupo constructivo de láser 8 contiene también
una cámara CCD con la que se reproduce sobre un monitor la imagen de
la pieza de trabajo 46 en la zona del punto de mecanización.
Cuando se acciona el motor de accionamiento 38,
el eje de la óptica de láser 12 orbita, en la zona del grupo
constructivo de excentricidad 32, a una distancia de algunos
milímetros (correspondiente a la excentricidad ajustada), en torno a
un eje central 48 del grupo constructivo de láser 8 que está
alineado con la cabeza de la fresa 6 de cabeza esférica. Dado que la
óptica de láser 12 está suspendida por su otro extremo en un soporte
cardánico 30, realiza aquí un movimiento de precisión en torno al
eje central 48. El rayo láser 14 describe de manera correspondiente
una trayectoria circular en torno al eje central 48 en el lugar de
ubicación de la pieza de trabajo 46 situada sobre la mesa de trabajo
18. Cuando la superficie que se acaba de mecanizar en la pieza de
trabajo 46 es plana y discurre paralela a la mesa de trabajo 18, la
mancha focal del rayo láser 14 describe una trayectoria elíptica
sobre la pieza de trabajo 46 cuando se acciona el motor de
accionamiento 38, limitándose la libertad de movimiento a
aproximadamente una media elipse, para impedir que el rayo láser 14
pueda incidir sobre el vástago de la fresa 6 de cabeza esférica.
La excentricidad del grupo constructivo de
excentricidad 32 se ajusta de modo que el rayo medio de la
trayectoria circular corresponda al radio de la fresa de cabeza
esférica más el radio de la mancha focal del láser, con lo que,
según la inclinación de la pieza constructiva, se obtiene una
distancia determinada de la mancha focal a la sección transversal de
arranque de virutas. Esta distancia deberá ser en general
ciertamente lo más pequeña posible, pero es limitada por el diámetro
de la cabeza de la fresa 6 de cabeza esférica.
Durante el fresado se mueve continuamente la
pieza de trabajo 46 por debajo de la fresa 6 de cabeza esférica, y
la rueda dentada 36 es hecha girar cada vez hasta una posición en la
que la mancha focal 50 del láser incide en un punto de la pieza de
trabajo 46 que en un momento siguiente es mecanizado por la fresa 6
de cabeza esférica. Cuando se modifica la dirección de mecanización,
la mancha focal 50 del láser tiene que ser desplazada al mismo
tiempo en medida correspondiente: la figura 2 muestra la trayectoria
de movimiento 51 de la mancha focal 50 del láser con relación a un
movimiento de avance de la fresa 6 de cabeza esférica en la
dirección Y 60 y en la dirección X 61, adelantándose siempre la
mancha focal 50 del láser al punto de mecanización en algunos
milímetros y calentando entonces toda la sección transversal de
arranque de virutas.
Con el dispositivo descrito se pueden compensar
variaciones de la dirección de fresado de hasta un máximo de 180º.
Por tanto, se emplea el fresado por palpado como estrategia de
fresado. Se producen entonces en las superficies de forma libre de
la pieza de trabajo unas trayectorias de fresado que aparecen como
rectas al observar la pieza de trabajo verticalmente desde
arriba.
En otras estrategias para fresar geometrías 3D,
como, por ejemplo, el fresado lineal en altura o el fresado
equidistante, se presentan normalmente variaciones de dirección de
hasta 360º, reproduciéndose la imagen de las trayectorias de fresado
como contornos cerrados sobre la pieza constructiva. Dado que la
compensación de variaciones de la dirección de fresado en el
dispositivo descrito está limitada a 180º, tales estrategias de
fresado alternativas pueden ser perseguidas solamente con
limitaciones.
La pieza de trabajo 46 es hecha bascular o girar
en el curso de la mecanización (en torno a los ejes 22 ó 24, véase
la figura 1) para mantener constante el ángulo de ataque de la fresa
6 de cabeza esférica con respecto a la superficie de la pieza de
trabajo. Para mantener una distancia casi constante de la mancha
focal 50 del láser a la sección transversal de arranque de virutas
en la dirección de avance puede ser suficiente que se mantenga
constante el ángulo de ataque solamente en la dirección de avance.
Un ángulo de ataque constante en dos planos puede proporcionar
ventajas adicionales para el proceso de arranque de virutas. En el
caso de una mesa de trabajo giratoria y basculable 18 se tienen que
controlar entonces, aparte de los tres ejes de la máquina fresadora
3D, dos ejes adicionales de la mesa de trabajo giratoria o
basculable 18, y se efectúa una mecanización en cinco ejes. Además,
el movimiento de forma circular o elíptica de la mancha focal 50 del
láser tiene que ser controlado en torno al punto de mecanización por
medio del motor de accionamiento 38. Esto presupone que se
interpolen seis ejes por medio del sistema de control de la máquina
y que, con una estrategia de fresado adaptada, el sistema CAD/CAM
genere los programas de control numérico correspondientes.
Cuando la mesa de trabajo 18 es basculable
solamente en un plano, es decir, en el caso de una mecanización en
cuatro ejes, el ángulo de ataque puede mantenerse constante
solamente en la dirección de avance, moviéndose la sección
transversal de arranque de virutas a lo largo del filo de la fresa 6
de cabeza esférica durante la mecanización de superficies de forma
libre. En este caso también es posible con el dispositivo descrito
un reajuste de la mancha focal 50 del láser, para que la sección
transversal de arranque de virutas pueda ser calentada de forma
óptima por el rayo láser 14.
En la variante de la mecanización en cinco ejes
por medio de fresado de palpado se produce, para un ángulo de ataque
constante de la fresa 6 de cabeza esférica con respecto a la
superficie de la pieza de trabajo, en función de la geometría de
esta pieza, un movimiento de giro del eje de giro que está ligado a
una variación de la dirección de fresado (desde el punto de vista de
las coordenadas de la máquina). El movimiento necesario de la mancha
focal del láser en torno al radio de la fresa 6 de cabeza esférica
para posicionar dicha mancha focal del láser en la dirección de
fresado y el movimiento de giro del grupo constructivo de
excentricidad 32, que está en relación lineal directa con el
movimiento anterior, corresponden justamente a este ángulo de giro
del eje de giro de la mesa de trabajo giratoria y basculable 18. Por
tanto, existe una relación lineal entre estos movimientos de giro
que está ligada a un factor de multiplicación (\leq1) que, a su
vez, depende del ángulo de inclinación de la óptica de láser 12 con
respecto al eje del husillo de trabajo 4 o con respecto a la normal
de la superficie de la pieza de trabajo. Con ayuda de esta relación
el sistema de control de la máquina puede calcular directamente la
manera en la que tiene que activarse el motor de accionamiento 38
para posicionar siempre la mancha focal 50 del láser en el sitio
correcto.
Se obtiene una mejora adicional de las
posibilidades de mecanización cuando la unidad de fresado está
dispuesta en forma giratoria en torno al eje del husillo de trabajo
(4).
Claims (8)
1. Máquina fresadora con asistencia de láser, que
comprende
- una unidad de fresado con un husillo de trabajo
(4) accionado por motor y destinado a recibir una herramienta de
fresado (6),
- una mesa de trabajo (18) para sujetar piezas de
trabajo,
- guías y órganos de accionamiento para generar
movimientos relativos de la unidad de fresado y de la mesa de
trabajo (18) en tres direcciones del espacio, y
- un dispositivo de láser (12) para emitir un
rayo láser (14),
caracterizada porque la herramienta de
fresado es una fresa de cabeza esférica y porque la máquina
fresadora comprende
- soportes (30, 32) y órganos de accionamiento
(36, 38) para generar un movimiento de precisión del dispositivo de
láser (12) en torno a un punto del eje del rayo, orbitando el rayo
láser (14) en torno a un eje central (48) que corta al eje del
husillo de trabajo (4) bajo un ángulo agudo, y presenta
- soportes y órganos de accionamiento para hacer
girar y/o bascular la mesa de trabajo (18) en torno a al menos un
eje (22, 24).
2. Máquina fresadora según la reivindicación 1,
caracterizada porque el dispositivo de láser (12) está
montado de forma cardánica (30) en un punto del eje del rayo y está
montado de forma excéntrica (32) en un punto del eje del rayo
distanciado del punto anterior.
3. Máquina fresadora según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque los soportes (32) para un movimiento
de precisión del dispositivo de láser (12) están preparados para
ajustar la amplitud del movimiento de precisión dentro de un
intervalo predeterminado.
4. Máquina fresadora según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque la unidad
de fresado es giratoria en torno al eje del husillo de trabajo
(4).
5. Máquina fresadora según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
dispositivo de láser (12) está fijado a una cabeza de fresado (2) en
la que está montado el husillo de trabajo (4).
6. Máquina fresadora según una de las
reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el
dispositivo de láser (12) es una óptica de láser que está unida con
una fuente de luz láser separada a través de un conductor óptico
flexible.
7. Procedimiento para fresar una pieza de trabajo
con asistencia de láser, en el que la pieza de trabajo y una
herramienta de fresado rotativa son movidas una con relación a otra
en tres direcciones del espacio, caracterizado porque se
emplea como herramienta de fresado una fresa (6) de cabeza esférica,
porque durante el fresado un dispositivo de láser (12) dirige un
rayo láser (14) hacia un punto de la superficie de la mesa de
trabajo que se adelanta al punto de mecanización de fresado en la
dirección de avance actual, porque se hace que el dispositivo de
láser realice un movimiento de precisión en torno a un punto del eje
del rayo para compensar variaciones de la dirección de fresado
durante la mecanización, y porque, además, se hace girar y/o
bascular la pieza de trabajo (46) durante la mecanización para
mantener constante el ángulo de ataque de la fresa de cabeza
esférica con respecto a la superficie de la pieza de trabajo en al
menos un plano.
8. Procedimiento según la reivindicación 7,
caracterizado porque se emplea como estrategia de fresado un
fresado por palpado.
Applications Claiming Priority (2)
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