Armando un sistema de corte con plasma

Figura 1
Las mesas de corte con plasma solían estar reservadas exclusivamente para manufactura de placa gruesa. Actualmente también hay mesas para corte de alta calidad de calibre delgado.

Armar un sistema completo de corte con plasma puede ser una tarea de enormes proporciones. Empieza con la máquina que genera el chorro de plasma, un CNC, software, sistema de ventilación y la mesa X-Y. La frase “mesa X-Y” suena básica, como una superficie de corte 2-D, pero es mucho más que eso; incluye los motores o accionamientos que dan movimientos coordinados exactos para varias antorchas, ya sea de plasma u oxicombustible.

Si usted hubiera buscado una mesa X-Y a principios de los años noventas, habría encontrado sólo una variedad: máquinas industriales de alto desempeño diseñadas para una operación continua en centros de servicio de acero, talleres y fabricantes de equipo original (OEMs, por sus siglas en inglés) donde la atención se centraba en el acero grueso. Las aplicaciones principales eran las industrias de construcción de barcos y lanchas y de equipo pesado. Estas máquinas se diseñaban para ser lo suficien-temente robustas para soportar décadas de uso rudo y producir miles de toneladas de partes metálicas a altos ritmos de producción con un mantenimiento mínimo. Una máquina típica tenía hasta cuatro antorchas de plasma o hasta 16 antorchas de oxicombustible y podía cortar placa en tamaños desde 5 por 10 pies (1.5 x 3 m) hasta 40 x 80 pies (12.2 x 24.4 m).

Actualmente la industria no tiene limitaciones en los estilos de mesa X-Y (vea la Figura 1). Más de 100 fabricantes las ofrecen para manejar niveles de energía de 30 a 1,000 amperes para cortar espesores desde calibre 26 hasta 61⁄4 de pulgada en acero suave, aceros inoxidables y aluminio. Un taller pequeño que no usa mucho corte con plasma u oxicombustible puede encontrar una máquina asequible para uso ligero con la productividad y exactitud correspon-dientes, mientras que un taller grande que use estos procesos de manera casi continua puede encontrar una máquina robusta para uso rudo que brinde una productividad y exactitud más altas.

Conforme se han multiplicado los estilos, los precios han bajado. Las máquinas modernas usan muchos componentes electrónicos y hardware comerciales, lo que mantiene los costos bajos. Los componentes estándar comerciales incluyen laptops, accionamientos de paso, rodamientos, guías de motores lineales, unidades de reducción de engranes y sistemas de piñón y cremallera. Ahora las unidades más pequeñas miden 2 por 2 pies (61 x 61 cm) y cuestan hasta $3,000. Aun cuando estas mesas de bajo costo no van a funcionar tan bien ni a durar tanto como las mesas de resistencia industrial, han abierto muchas puertas para los talleres de tamaño pequeño a medio, e incluso para los aficionados.

Independientemente del costo o del tamaño, toda mesa X-Y basada en CNC debe tener los siguientes componentes:

• CNC. El cerebro de la máquina, el CNC convierte un programa de corte en instrucciones eléctricas que controlas la dirección y la velocidad de corte. Además da instrucciones al cortador de plasma, al controlador de altura y al equipo periférico.
• Componentes mecánicos. El interior de la máquina incluye un pórtico (eje largo), un carro de antorchas y un eje Z (para movimiento ascendente y descendente) que manipula las antorchas.
• Sistema de control de vapores. El corte con plasma genera muchos vapores y humo. Todas las máquinas requieren un control de vapores de tiro inferior o un control de mesa de agua.

El control automático de altura es una característica opcional, pero casi en todos los casos vale mucho la pena la inversión adicional. El corte con plasma efectivo se basa en tres modos de altura—uno para perforar y dos para cortar—para maximizar la vida de los consumibles y la calidad del corte.

La altura de perforación es quizás la más crítica para la vida de la boquilla y para la calidad del corte. El sistema hace avanzar la antorcha hasta que encuentra la superficie del material, luego se retrae a la altura co-rrecta. Una perforación demasiando cerca afecta permanentemente la angulosidad del borde de corte, la escoria y la calidad global del corte.

Después de que la antorcha perfora el material, el controlador mueve la antorcha más cerca del material hasta que establece la altura de corte correcta. Una altura de antorcha demasiado baja corre el riesgo de una colisión con la pieza de trabajo, mientras que una altura demasiado alta aumenta el ancho de la ranura y la angulosidad del borde mientras que contribuye a la escoria y al alabeo. Después de que el controlador de altura cumple su tiempo y se apaga, el controlador de retroalimentación de voltaje del arco toma el control para mantener la distancia correcta entre la antorcha y la pieza de trabajo.

Un control de altura automático que funciona correctamente le permite programar y anidar cientos de partes y dejar sola a la máquina mientras ésta corta. Si está cortando una parte a la vez y no le importa tener que vigilar la máquina, usted puede trabajar bien sin un control de altura. La desventaja es que esto es engorroso y lento. Tiene que ajustar la altura de perforación para cada perforación, detenerse, ajustar la altura de corte, luego hacer el corte. El control automático de altura es la característica clave que hace a estas máquinas automatizadas, y la inversión adicional usualmente se paga rápidamente.

CNC

Un CNC esencialmente es una computadora grado industrial con software de control de movimiento y de la máquina y varias entradas y salidas que pueden controlar todos los motores de accionamiento, cortadores de plasma, controladores de altura y cualquier otra herramienta o periférico montado en la mesa X-Y.

Éste recibe órdenes del operador de la máquina y del software CAM, luego convierte estas órdenes en instrucciones que ejecutan inicios de arco, controlan a los sistemas de accionamiento y llevan a cabo otras funciones de la máquina.

Los CNC industriales están diseñados para soportar el ambiente agresivo del taller, lo cual eleva su costo y complejidad. Tienen que aguantar humo y desperdicios en el aire provenientes de los procesos de corte y soldadura, vibraciones de los montacargas y otras máquinas, interferencia de otros dispositivos eléctricos, etc.

En las máquinas más baratas, una computadora personal o laptop es el cerebro del CNC. Estas computadoras fueron diseñadas para una vida relativamente fácil en un ambiente de oficina limpio y controlado. No tienen todas las protecciones de un CNC industrial, pero tienen la capacidad de ope-rar máquinas de corte con plasma que no tienen tantas funciones. Estas máquinas son bastante buenas para aficionados, talle-res de prototipos y talleres pequeños con bajas demandas de producción.

Las computadoras personales o laptops sólo deben usarse en máquinas que tienen tecnología de arranque de antorcha con retorno de llama y no las de arranque de alta frecuencia, alto voltaje o capacitivo. El a-rranque con retorno de llama produce menos ruido eléctrico y por lo tanto es menos probable que cause interferencia eléctrica.

La interfaz hombre-máquina juega un papel muy importante en la productividad de la máquina. Aun cuando muchas máquinas básicas usan un teclado y un ratón de oficina estándar para controlar las funciones, las máquinas de mayor desempeño tienen controles de pantalla táctil, que tienden a ser más intuitivos. El software operativo es un problema relacionado. Muchos programas son adaptados a partir de procesos de maquinado como rebajado y fresado y son bastante burdos cuando se usan para cortar. El software y las interfaces hombre-máquina que se diseñaron específicamente para corte con plasma tienden a ser mucho más fáciles de aprender y de usar.

Componentes Mecánicos

Toda máquina tiene varias partes móviles: pórtico, carro de antorchas y control de altura de antorcha (eje X, Y y Z). En máquinas industriales grandes, todos los componentes son robustos, para uso rudo, y precisos. En máquinas de nivel básico los componentes no son tan resistentes, lo que significa que no son tan pesados. El uso de componentes de peso ligero le permite al fabricante de la máquina usar motores de accionamiento menos potentes y sistemas de engranaje menos pesados, lo cual mantiene un costo bajo al mismo tiempo que provee velocidades de corte productivas y una exactitud razonable.

Las máquinas de uso menos pesado tienden a usar motores de paso, mientras que las máquinas más robustas usualmente tienen servoaccionamientos. Ambos proveen muy buena precisión, aunque los modernos servoaccionamientos bien dimensionados usualmente tienen rangos de velocidad y torque más amplios, lo cual es benéfico al cortar a velocidades muy rápidas y muy lentas.

Los motores de paso y la electrónica de accionamiento asociada son más sencillos y menos caros que los servosistemas, por lo que con frecuencia se usan en máquinas controladas por PC o laptops. Los servo pueden ser más intuitivos para los operadores de la máquina pues usan retroalimentación de codificador al CNC, lo que da una menor probabilidad de posicionamiento perdido en la mesa de corte en caso de una colisión con una parte levantada, una falla de energía u otra interrupción del corte.

Control de Vapores

El corte con plasma genera partículas de diversos tamaños. Las partículas más pequeñas, las cuales vienen de protectores contra escamado y herrumbre, son tan pequeñas y calientes que son más ligeras que el aire y se convierten en humo. Las partículas más grandes vienen del material que se está cortando y usualmente son más pesadas que el aire. Sin importar el nivel de potencia o el tipo de cortador de plasma, el sistema de control de vapores tiene que capturar partículas de todos los tamaños. Los dos tipos usados para corte con plasma son mesas de tiro inferior y sistemas de agua.

Mesas de tiro inferior. Éstas requieren un flujo suficientemente fuerte para mover las partículas más pesadas a través de un conducto. El primer criterio es adaptar el flujo de aire del sistema al tamaño de la mesa. Una mesa de 2 por 2 pies (61 x 61 cm) necesita alrededor de 1,000 pies cúbicos por minuto (CFM) para remover todos los desperdicios y humo. Una mesa de 4 x 8 pies (122 x 244 cm) necesita alrededor de 7,000 CFM.

Si las leyes locales de control de aire permiten liberar los vapores al exterior del edificio, una mesa de tiro inferior es la manera más fácil de proceder; sin embargo, tenga presente que durante los meses fríos, el sistema también le quitará calor al edificio. Un conducto de reposición de aire frío colocado cerca de la mesa usa aire exterior en lugar del aire del taller para sacar los vapores. Algunas mesas de tiro inferior grandes usan secciones zonificadas con persianas móviles para que la succión re-mueva aire sólo en el área localizada donde la antorcha está cortando, y no de toda la mesa. Por supuesto, muchas mesas de tiro inferior tienen sistemas grandes de filtración con auto-limpieza que eliminan las partículas antes de hacer circular el aire de regreso al taller.

Cada opción requiere una cuidadosa consideración. Los sistemas de reposición de aire, zonificados y de filtración aumentan el costo y la complejidad.

Mesas de Agua. Los sistemas de agua se encuentran disponibles en dos tipos: bandejas de agua y mesas de agua. Una bandeja de agua va debajo de la pieza de trabajo. El agua toca el material y la presión generada por el chorro de plasma fuerza las partículas hacia el agua donde se enfrían y se asientan. Las bandejas de agua son sencillas, efectivas y asequibles.

Una mesa de agua usualmente es más profunda que una bandeja de agua, y permite corte bajo el agua. Cortar bajo el agua tiene algunas ventajas, particularmente para cortar acero inoxidable y cuando la corriente supera 200 amperes. El nivel del agua puede ajustarse. Puede ser lo suficientemente bajo para que el agua no salpique en el metal, y ser lo suficientemente alto para atrapar la mayor parte de los vapores.

Dejar que el agua haga contacto con el material tiene un par de desventajas, que afectan la calidad del borde en términos de aspereza y escoria, pues el metal fundido se solidifica a lo largo de la parte inferior del borde de corte. Sin embargo, su efecto enfriador ayuda a controlar el alabeo que ocurre especialmente en partes largas y delgadas.

Esto no quiere decir que un tipo sea mejor que el otro en el control de vapores. Trátese de una mesa de tiro inferior, de una bandeja de agua o de una mesa de agua, un sistema diseñado y dimensionado correctamente puede ser suficientemente efectivo en el control de los vapores.

CAD y CAM

Los paquetes de software CAD y CAM se han vuelto indispensables para la industria manufacturera. CAD se usa para diseñar la parte, mientras que CAM tiene que ver con la capacidad de la máquina para hacer la parte. CAM determina la ubicación de la perforación, el punto de inicio, el ancho de la ranura y el punto de conclusión, de forma que tengan un efecto mínimo en la parte. Esta información va al CNC para hacer la parte.

Los programas CAM modernos con frecuencia tienen capacidades adicionales, como anidado de partes. Encontrar la ubicación y la orientación óptimas de la parte minimiza el desperdicio de material, y muchos programas generan reportes que detallan el costo de la parte, la utilización de material y otra información contable. Algunos sistemas CAM automáticamente establecen y controlan la mayoría de los parámetros de corte, como corriente y voltaje del arco, flujo de gas, altura de perforación, velocidad de corte y altura de corte.

En algunas máquinas básicas, las funciones CAD y CAM están combinadas, lo que permite una transición perfecta del diseño al corte. Esto usualmente es menos complicado y más fácil de aprender que usar dos paquetes de software separados.