El torneado de forma casi neta abre el camino hacia una automatización más simple

El torneado Near-Net-Shape (NNS) es una tendencia que se ha abierto paso a codazos en la corriente principal de fabricación en el transcurso de dos décadas. La idea es entendida por casi todos en la fabricación ahora. En esencia, el torneado NNS simplemente significa tornear piezas que se han formado o fundido cerca de las dimensiones finales. Las implicaciones de este método continúan desarrollándose a medida que las máquinas, las herramientas y los procesos incorporan nuevos desarrollos e ideas.

La mayoría del torneado NNS implica el mecanizado de muy pocas características en una pieza; a menudo uno o dos, rara vez más de tres. El torneado NNS a menudo produce dificultades de sujeción porque las piezas típicas suelen tener secciones delgadas, o se moldean o forman sin accesorios o datos de medición. Debido a que la operación típica de torneado NNS es la operación de acabado final, podemos agregar que generalmente cae en la categoría de torneado, mandrinado o refrentado de alta precisión.

Sin embargo, la implicación más importante del torneado NNS es la forma en que ha influido en las tendencias de la automatización. Cuando el tiempo de fabricación de virutas se convierte en una parte más pequeña de los tiempos de ciclo totales, el manejo del trabajo y el cambio de herramientas emergen como los principales obstáculos para mejorar la eficiencia. El torneado NNS ha evolucionado para llevarse muy bien con el manejo de trabajo más simple y el cambio de herramientas, una tendencia que se ha extendido un poco más allá del propio torneado NNS, desafiando la sabiduría convencional sobre cuánta complejidad es buena para la eficiencia de fabricación y la rentabilidad general.

Introducción y extracción de piezas rápidamente

"Nuestro trabajo es introducir y sacar piezas de la máquina lo más rápido posible y de la manera más consistente posible", dice Dan Kruse, gerente de operaciones de Bearing Technologies, Inc., Div. de MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Se refiere a las pistas para los rodamientos que fabrica su empresa, maquinados a partir de secciones cortadas a medida de tubos de acero 4118. Aunque el trabajo es solo marginalmente una operación de forma casi neta (porque se eliminan hasta 0,080 pulgadas de material en hasta tres pasadas de la herramienta de corte), emplea la tecnología de automatización y el enfoque general del proceso que ha fomentado el torneado NNS.

Bearing Technologies está utilizando dos máquinas con herramientas múltiples de cuatro ejes, unidas entre sí en una celda por medio de un sistema de transferencia tipo pórtico lineal. Las máquinas de esta celda reflejan la influencia que ha tenido el torneado NNS en el diseño de máquinas de torneado de producción. Pequeñas, estrechamente acopladas y con capacidad para solo una o dos herramientas en cada uno de los dos bloques de herramientas de montaje deslizante cruzado ("grupo"), estas máquinas Wasino SS-8 se enfocan en tornear piezas más pequeñas que requieren maquinado de solo unos pocos funciones.

Sin torretas para indexar, el cambio de herramienta es rápido. Asimismo, el tiempo de corte se minimiza con el corte simultáneo de cuatro ejes y dos herramientas. Pero solo el 15 por ciento de los tiempos de ciclo cortos de 30 a 40 segundos de las piezas involucran el manejo del trabajo. Los tiempos de carga y descarga se han reducido tanto como lo permite el estado de la técnica.

Bearing Technologies utiliza el ejemplo extremo de carga y descarga rápida y sencilla:un sistema de tolva alimentado por gravedad alimenta las piezas en línea recta y con un solo movimiento de manipulación. Es adecuado solo para piezas en forma de anillo o disco, pero da en el blanco presentado en el manejo de trabajo NNS. El sistema de rampa utiliza el menor movimiento mecánico posible y se carga en el camino práctico más corto.

Anteriormente, la empresa hacía el trabajo con tornos de dos ejes equipados con cargadores más convencionales. Su tiempo de corte fue un 25 por ciento más largo que el de las nuevas máquinas de cuatro ejes. Pero la mayor diferencia está en el manejo del trabajo. El tiempo total del ciclo era aproximadamente tres veces más largo antes de que cambiaran a los cargadores alimentados por gravedad.

Tolerancias tipo molinillo

Muchas aplicaciones NNS llevan la precisión de la máquina al extremo, a menudo reemplazando las operaciones de rectificado y realizando todo el torneado en un solo paso, o en un solo paso a través de una celda que gira ambos extremos de una pieza. Las aplicaciones de torneado en duro a menudo caen en esta categoría. Para engranajes, casquillos y otras piezas pequeñas de metal en polvo (PM), el torneado en duro se ha convertido en un serio competidor para el rectificado. Esta clase de trabajo se puede considerar como una subcategoría del torneado NNS y presenta las mismas demandas de eficiencia y precisión en el manejo del trabajo.

También otorga una gran importancia a la rigidez de la máquina ya la ingeniería de herramientas. Aunque las cerámicas se utilizan en aplicaciones de torneado duro con cargas ligeras, fue la introducción de herramientas de nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN) lo que introdujo el torneado duro en la corriente principal de producción. Estas herramientas duran tiradas largas y producen una gran consistencia en el desgaste, siempre y cuando se preste especial atención a la preparación de los bordes.

El torneado NNS de precisión, duro o blando, generalmente requiere un desarrollo adicional de la aplicación. Las configuraciones de las herramientas y los materiales de las herramientas son fundamentales para las piezas más blandas, así como para las duras, en las que las tiradas largas se combinan con requisitos de alta precisión y acabado superficial fino. Y muchas de estas piezas presentan demandas especiales de fijación o sujeción.

El mecanizado de pistones pequeños para equipos de jardinería es un buen ejemplo de las características especiales del torneado NNS. Fundición a presión de precisión en secciones delgadas, sin datos fácilmente accesibles, estas piezas son difíciles de sujetar con precisión y tienden a distorsionarse fácilmente. Aun así, a menudo podemos girar las faldas del pistón a ±50 millonésimas (0,000050) de pulgada.

El peso ligero es un objetivo clave para los pistones pequeños, y han sido una aplicación natural para la fundición a presión de precisión. Pero el proceso de fundición no produce características para sujetar el interior de las piezas. Deben mecanizarse a lo largo de todo su diámetro exterior y el único dato para la orientación del eje del husillo es el interior de la cúpula o corona del pistón.

El torneado, por lo tanto, es un trabajo de mecanizado de dos extremos, en el que un diámetro exterior mecanizado de acabado en el extremo de la corona debe continuar en la falda, sin perder la concentricidad. Las paredes delgadas y fácilmente distorsionadas del faldón hacen que esta tarea sea más difícil.

La respuesta es una combinación de pinzas neumáticas delicadas y de precisión y mordazas giradas en su lugar, duras, para producción de alto volumen. El uso de mandriles de aire, funcionando a una presión de línea máxima de 60 a 70 psi, resuelve muchos de estos problemas de sujeción NNS de sección delgada. Tienden a sujetar con precisión en una amplia gama de presiones de aire, que van desde quizás 30 psi hasta un máximo de 70. Incluso con mordazas suaves, obtienen un agarre adecuado en la pieza si las fuerzas de giro son bajas, como en los pistones de aluminio.

Aún así, hay más para mantener la precisión en piezas de sección delgada que simplemente tirarlas con precisión. Los pistones presentan otro problema potencial debido a sus secciones delgadas:los orificios de los pasadores de muñeca, que escariamos en un centro de mecanizado coordinado en la misma celda de la máquina, están ubicados en protuberancias de paredes delgadas. Estos se calientan rápidamente en el primer paso de giro y luego se cierran a medida que se enfrían, expandiendo y contrayendo el diámetro exterior del pistón entre 0,00015 y 0,00020 pulgadas. En algunas aplicaciones NNS, tales distorsiones térmicas son extremadamente difíciles de manejar.

La flexibilidad y la sensibilidad térmica de las piezas NNS continúan impulsando el desarrollo de mejores soluciones de sujeción. El acabado de las mordazas del mandril en su lugar en la máquina se ha convertido en una práctica estándar. También es común perforar estas mordazas para compensar cualquier flexión que puedan sufrir durante el uso. Se recomienda mecanizar las raíces de las mordazas endurecidas a un diámetro mayor que sus extremos, de 0,0005 a 0,001 pulgadas.

Es necesario diseñar mordazas para un área de contacto máxima cuando se usa una presión ligera. Incluso entonces, las fuerzas de corte pueden exceder el poder de agarre de las mordazas y permitir que las piezas se deslicen. Las estrías ordinarias de punta cuadrada no son de mucha ayuda en este sentido, pero se reporta un buen éxito con mordazas dentadas afiladas, maquinadas a la medida para cada aplicación. La forma más práctica de fabricarlos es como insertos atornillados, torneados y dentados a lo largo del eje del husillo, como una sola pieza cilíndrica y luego cortados con sierra para separar los insertos para cada mordaza individual.

Las estrías en realidad hacen marcas finas en la pieza, por lo que no resuelven todos los problemas de sujeción. Pero han resuelto algunos muy difíciles. En una aplicación, torneando un buje de aluminio de grado 390 fundido a presión, sujetando con mordazas lisas, obtuvimos variaciones de 0,0001 a 0,0003 pulgadas en la redondez, debido en gran parte a las presiones de la mordaza requeridas para evitar el deslizamiento y a una línea de partición inconsistente en el exterior diámetro de las piezas fundidas a presión. Con las mordazas dentadas, se puede aumentar la presión y aún mejorar la falta de redondez, entre 30 y 50 millonésimas (0,000030 a 0,000050) de pulgada.

Las piezas templadas presentan dificultades de sujeción aún mayores. El deslizamiento es un problema porque las fuerzas de corte son algo mayores. Y muchas de estas piezas, especialmente los engranajes, no se pueden colocar sobre ninguna superficie geométrica simple.

Sujetar la línea de paso de los engranajes es el ideal teórico, porque, si se está mecanizando un orificio de ubicación o un buje (y generalmente lo es), desea que el engranaje terminado funcione en su línea de paso para una operación suave y silenciosa. En un engranaje cónico, o incluso en un engranaje de cara plana, la línea de paso no es una superficie de sujeción obvia. De hecho, ni siquiera puedes verlo. Es un círculo teórico ubicado en algún lugar de los dientes del engranaje.

Hemos resuelto este problema que nos rasca la cabeza mediante el uso de accesorios de sujeción de línea de paso. Se trata de caras de "engranaje" endurecidas por electroerosión que se montan en el mandril y que se acoplan con la pieza de trabajo, lo que asegura que la pieza se desplace concéntricamente con su línea de paso. Cuando el trabajo se pone en contacto con el accesorio, las dos formas de engranaje se acoplan naturalmente en un círculo de menor interferencia, que, felizmente, es la línea de paso en sí misma.

Una aplicación de engranajes cónicos de alto volumen en la planta de Black &Decker en Easton, Maryland, ha estado ejecutando esta configuración en una producción de alto volumen durante varios años. Las piezas de PM templadas e infiltradas con cobre se enfrentan y mandrinan en una máquina de torneado con herramientas múltiples, utilizando herramientas PCBN. El accesorio de línea de paso requiere la indexación de la pieza, a medida que se carga, para evitar chocar la pieza y el accesorio, punta de diente con punta de diente, lo que plantea el siguiente gran problema con el torneado NNS automatizado:los sistemas de manejo de trabajo.

Manejo de trabajo para torneado NNS

La manipulación del trabajo para el torneado NNS tiene que ser rápida, porque los tiempos de ciclo dependen de ello. La aplicación de carga de engranajes sugiere que también tiene que ser versátil para adaptarse a algo tan complicado como orientar los dientes de engranajes para que coincidan con un accesorio. Uno de los desarrollos más notables del torneado NNS han sido estos sistemas de carga/descarga rápidos y versátiles, que también tienen las virtudes de ser simples, contenidos dentro de la máquina herramienta y fáciles de controlar con CNC estándar; idealmente, el mismo CNC que ejecuta el torno.

Esto es "automatización autónoma" y requiere una definición. Esta es la configuración de una máquina de torneado NNS contemporánea típica:tiene herramientas múltiples, porque solo se mecanizan algunas características. El herramental en grupo da como resultado un acoplamiento mecánico apretado entre la herramienta de corte y la bancada de la máquina. Esto lo hace rígido e intrínsecamente más fácil de construir con precisión, sin casquillos de torreta ni engranajes de indexación.

El cargador tipo pórtico está construido en la parte superior de la máquina, conectado directamente a la plataforma de la máquina. El recorrido de las pinzas de trabajo es estrictamente en línea recta, desde un carrusel de preparación del trabajo que está integrado con la propia máquina herramienta. El cabezal de agarre se mueve a lo largo de la plataforma de la máquina y hacia arriba y hacia abajo en los extremos, tomando y colocando piezas en el carrusel y en el mandril.

Los cargadores de pórtico actuales utilizan accionamientos programables y pinzas tipo mandril, con mordazas blandas. Los cambios de piezas, por lo tanto, son rápidos. Debido a que los movimientos de carga y descarga son pocos y los viajes involucran solo un eje a la vez, sus programas son cortos. Pueden almacenarse y controlarse desde el CNC de la máquina herramienta.

Este es un paquete intrínsecamente preciso, muy compacto, y es modular que se presta para un fácil montaje de celdas de varias máquinas. Los cargadores de pórtico pueden alimentar un sistema de transferencia intermedio, construido a lo largo de las mismas líneas simples de trayectoria lineal, para intercambiar piezas entre máquinas.

Volviendo a esa aplicación de engranajes:requiere la orientación de la pieza, pero las pinzas son como un mandril y no discriminan cómo recogen las piezas del carrusel. ¿Cómo los orienta? Haciendo una pausa en una estación intermedia, donde deja caer la pieza en un accesorio giratorio que usa un haz de luz para indicar dónde están los dientes y luego gira el engranaje según sea necesario para evitar un choque. Luego, la pinza vuelve a levantar la pieza y continúa su camino hacia el mandril.

Por lo tanto, el sistema de pórtico que hemos descrito es simple pero no simplista; se puede elaborar, gracias a su programabilidad, para hacer algo extra con la pieza. Orientarlo es una de esas tareas. La medición es otra para las aplicaciones SPC en línea.

El torneado de forma casi neta otorga una gran importancia a la precisión y la rapidez, y permite un manejo sencillo de herramientas y trabajo, debido a la naturaleza de las piezas NNS típicas. Los centros de torneado automatizados que han evolucionado para satisfacer esta demanda del mercado son simples sin ser ingenuos:son programables para tareas especiales, incluidas la calibración y la orientación de piezas.

En efecto, estos centros de torneado automatizados son automatización preempaquetada. Rápidos de configurar, capaces de producir precisiones extremas y versátiles, señalan el camino hacia una mejor automatización para muchas otras aplicaciones de mecanizado, además del torneado de formas casi netas.