ES2223999T3 - Maquina fresadora y procedimiento de fresado. - Google Patents

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.