Este mundo de las tiendas de troqueles y moldes es redondo

Para muchos talleres de fabricación, el trabajo de moldes y matrices generalmente se refiere a la fabricación de piezas que son asimétricas. Los componentes de láminas de metal tienen varias formas, y las piezas de plástico moldeadas por inyección van desde teléfonos hasta gabinetes para computadoras.

Sin embargo, hay, en el mundo de la fabricación de matrices y moldes, una gran cantidad de piezas que son redondas. Las tapas, los sellos, las juntas, por nombrar solo algunas, son piezas que requieren componentes de matriz y molde que sean redondos.

Mucho se ha escrito sobre el mecanizado de cavidades de moldes y juegos de troqueles para piezas asimétricas. En este artículo, el enfoque es el torneado duro aplicado a la fabricación de componentes de moldes y matrices para producir las numerosas piezas de metal y plástico que son redondas.

Para conocer este nicho de fabricación, visitamos Reliance Tool and Manufacturing (Elgin, Illinois). Es un taller de trabajo de 50 años que ha desarrollado una especialidad en torneado en duro y lo utiliza para fabricar componentes de moldes y juegos de troqueles que producen productos redondos.

Hablamos con Dale Schrieber, gerente de planta, para averiguar cómo se ha beneficiado Reliance del torneado duro en sus procesos de producción.

Matrices progresivas y compuestas

Los juegos de troqueles incorporan una serie de componentes. A menudo se trata de piezas individuales que se montan en la parte superior e inferior de las placas de matriz. Este diseño permite realizar ajustes en los componentes individuales del juego de troqueles en lugar de en toda la unidad.

En un troquel progresivo, las bobinas de chapa se alimentan entre las mitades superior e inferior del juego de troqueles. Cada vez que se cierra la prensa, se expulsa una pieza completa en el extremo final de la prensa.

Un troquel progresivo puede tener dos, cuatro o incluso 16 estaciones diferentes para generar un estampado completo. Después de que la prensa completa un recorrido, la bobina se alimenta de una estación de troquel a la siguiente. Algunos juegos de troqueles están diseñados para estampar progresivamente una forma plana y luego plegar el estampado en una pieza 3D. Todo esto se hace con una sola pulsación en un troquel progresivo.

Los troqueles compuestos se diferencian de los progresivos en que crean un estampado completo con un solo golpe de prensa. Los troqueles compuestos se formarán, perforarán agujeros y darán forma a la pieza de trabajo, todo en un solo golpe de la prensa.

Al igual que los troqueles progresivos, los troqueles compuestos también están hechos de componentes que se montan en las placas superior e inferior. Son estos componentes los que Reliance fabrica y ensambla en juegos completos. Para la mayoría de sus clientes, estos componentes son redondos.

¿Por qué torneado duro?

Hace unos seis años, Reliance comenzó a experimentar con el torneado duro. La idea era aumentar las operaciones de rectificado tradicionales con un proceso que fuera más flexible y que pudiera poner más piezas en el taller.

Antes de implementar el torneado duro, Reliance fabricaba sus juegos de troqueles y componentes de moldes de forma tradicional. Torneaban la pieza en bruto dejando material de pulido, luego la trataban térmicamente y terminaban de pulir.

Como cualquier taller, las presiones para entregar piezas cada vez más rápido impulsan gran parte de la búsqueda de tecnología alternativa. La única estipulación que Reliance impuso al buscar nuevas formas de fabricar conjuntos de troqueles y componentes de moldes fue proporcionar a sus clientes piezas que fueran tan buenas o mejores que las que se habían rectificado.

"Al principio, nuestro enfoque para el torneado en duro era prueba y error", dice Jeff Staes, quien desarrolló el proceso de torneado en duro en Reliance. "Las ventajas sobre el esmerilado se hicieron evidentes de inmediato para algunas de nuestras aplicaciones".

La mayor parte del trabajo destinado al torneado duro tiene requisitos de tolerancia de 0,0005 pulgadas. Pero con radios tan pequeños como 0.005 pulgadas y la necesidad de mezclar conicidades a radios, el torneado de un solo punto tiene claras ventajas sobre el esmerilado. Las conicidades, tanto del DI como del DE, que son necesarias para los ángulos de desmoldeo y la geometría de la pieza, también se generan fácilmente en un centro de torneado.

"Tratar de mantener radios pequeños o generar conicidades con una muela abrasiva requiere un rectificado frecuente, lo que ralentiza el proceso de producción", dice el Sr. Schrieber. "Acabar de rectificar las últimas milésimas también requiere mucho tiempo porque la rueda debe rectificarse con más frecuencia. El grano más fino de la rueda de acabado se carga más rápido que una rueda de desbaste que restringe las tasas de eliminación de metal".

Lo que han aprendido

La clave para un torneado duro exitoso comienza con un torneado suave. Lograr acabados superficiales consistentes y precisiones dimensionales en piezas de trabajo endurecidas requiere la cantidad correcta de material que queda después del torneado de desbaste antes del tratamiento térmico de la pieza en bruto.

Las características geométricas, como las secciones de paredes delgadas, a menudo necesitan más material para el torneado duro debido a la tendencia a deformarse ligeramente con el tratamiento térmico. La idea es reforzar las secciones delgadas para tener suficiente stock para permitir cambios dimensionales por tratamiento térmico.

"Nuestro tratador térmico hace un buen trabajo manteniendo la deformación al mínimo", dice el Sr. Schrieber. "Usan placas de cerámica para piezas de trabajo de sección transversal delgada junto con otras técnicas para controlar el cambio dimensional. Incluso colocamos en un estante nuestras piezas antes de enviarlas para el tratamiento térmico para controlar la consistencia".

Es importante mantener el mismo margen de stock para torneado en duro debido al desgaste de la herramienta. Generalmente, el proceso de torneado en duro consta de dos pasos:una o más pasadas de desbaste seguidas de una pasada de acabado. Eliminar la menor cantidad de material en la pasada de desbaste ahorra tiempo de producción pero, lo que es más importante, ahorra en la herramienta de desbaste de torneado duro. "El desgaste de la herramienta brusca y dura afectará el acabado de la superficie y el tamaño en la pasada final", dice el Sr. Staes.

El cortador elegido por Reliance es CBN (nitruro de boro cúbico). Para tiradas muy cortas o cortes interrumpidos se utilizan cerámicas, pero no se desgastan tan bien como CBN para tiradas de producción más grandes.

"CBN tiene una gran versatilidad", dice el Sr. Staes. Sin embargo, la selección de plaquitas es un factor limitante. "Diseñamos insertos y nuestros proveedores de herramientas los fabrican especialmente para nosotros. Creamos otras geometrías de insertos reelaborando los insertos existentes en las formas que necesitamos", continúa el Sr. Staes. "Todavía no existe la variedad de formas y geometrías de plaquitas para CBN, pero está mejorando".

Acero para herramientas en el corte

Gran parte del material utilizado por Reliance es acero para herramientas A-3 y D-2 endurecido entre 48 y 64 Rc. Las fresas de plaquita CBN funcionan bien en estas aplicaciones de torneado duro.

Si bien el CBN es el segundo material más duro, después del diamante, las plaquitas fabricadas con CBN pueden ser frágiles. Algunos procesos de torneado deben modificarse de lo que se considera convencional para permitir esta fragilidad.

En general, un inserto de CBN se fabrica mediante soldadura fuerte o uniendo un borde preformado de material de CBN a un sustrato de carburo. Esta unión tiende a ser el punto débil del cortador.

Los componentes de matrices y moldes deben tener una alta precisión dimensional y un excelente acabado superficial. Para lograr estos objetivos mediante torneado duro, el Sr. Staes ha desarrollado algunas pautas.

"La dirección de corte en un hombro en un OD o ID puede ser un factor si se requiere una estrecha tolerancia en la profundidad y el acabado de la pared", dice. "En lugar de entrar en la cara desde el ID o el OD, es mejor mirar hacia abajo en la pared primero para eliminar el exceso de material. Deje entre 0,0005 y 0,0010 pulgadas de material para una pasada de acabado.

"Una vez completada la pasada de desbaste y eliminada la mayor parte del material, la pasada de acabado se puede realizar en la pared. Al eliminar las 0,0010 pulgadas o menos restantes de metal, se reduce la presión de la herramienta sobre el inserto, especialmente si se trata de una herramienta pequeña con ángulo de ataque. se usa la geometría", dice el Sr. Staes.

En las operaciones de mandrinado, la altura del centro del inserto es un factor crítico para mantener con éxito el tamaño y el acabado. Si la barra se flexiona, podría dejar caer el borde de corte por debajo de la línea central, lo que resultaría en una vida útil más corta de la herramienta y un acabado deficiente. El Sr. Staes recomienda barras de mandrinar de metal duro integral para torneado duro. “Reducirán el problema de flexión y darán mayor capacidad de profundidad”, dice.

Consideraciones de temperatura y sujeción

En el momento en que una pieza de trabajo se vuelve dura, su valor ha aumentado significativamente. Los costos acumulados incluyen material, tiempo de maquinado de desbaste y tratamiento térmico. Definitivamente no es el momento de desechar esa parte.

Cuando el Sr. Staes gira estas piezas, le gusta vigilar las herramientas, especialmente cuando usa CBN. Algunas aplicaciones se pueden cortar en seco, pero otras se ven afectadas negativamente por las temperaturas elevadas del proceso de mecanizado. Para controlar esto, y al mismo tiempo permitir una vista clara de la zona de trabajo, Reliance usa aire comprimido o una pistola de aire frío para mantener la temperatura de la pieza.

La sujeción de piezas es otra consideración para fabricar componentes de moldes y matrices redondas. La redondez es una dimensión crítica para muchas de estas piezas, que suelen tener paredes muy finas.

"Usamos un mandril manual de tres mordazas de seis pulgadas sostenido por el mandril hidráulico que está montado en el centro de torneado", dice el Sr. Staes. "Las mordazas blandas del mandril manual están perforadas en la máquina con una concentricidad de 0,0005 pulgadas".

Técnicas de Inspección

Gran parte del trabajo de componentes de troqueles y moldes que realiza Reliance es relativamente fácil de inspeccionar para determinar la precisión dimensional y el acabado de la superficie. Cuentan con todos los equipos de inspección, documentación y técnicas de trazabilidad necesarios para calificar para ANSI/ASQC Q9001-1994 e ISO 9000.

Pero algunas de las piezas de trabajo producidas no son tan fáciles de medir. Reliance ha desarrollado una técnica interesante para verificar características ocultas en identificaciones y otros lugares de difícil acceso en una pieza de trabajo.

"Para los formularios ID y OD, solíamos cortar periódicamente una pieza por la mitad para verificar las características", dice el Sr. Schrieber. "Ahora usamos material dental [una polisilicona de vinilo de alta viscosidad] para tomar una impresión de la función. Luego, ese material se verifica en un comparador óptico. Es una técnica que funcionó bien para nosotros y es muy precisa cuando se realiza correctamente".

Asociación de taller de trabajo

Reliance se ha forjado una reputación impresionante en la fabricación de componentes redondos para moldes y matrices. "Muchos de nuestros mejores clientes son otros talleres de herramientas que necesitan nuestra experiencia en la producción de piezas redondas", dice el Sr. Schrieber. "Especialmente si se presenta una aplicación que es difícil de rectificar. Obtenemos muchos negocios para el torneado duro".

Llámelo asociación o especialización, los talleres que alguna vez se consideraron competidores trabajan juntos para entregar buenas piezas a los clientes. Es una tendencia en la operación de talleres por contrato que refleja las realidades del entorno de fabricación actual.

Los talleres como Reliance brindan servicios especializados a otros talleres que necesitan esas especialidades. Del mismo modo, cuando Reliance se enfrenta a un problema de proceso más allá de su capacidad, solicitará la ayuda de otros talleres.

La estandarización de la documentación del proceso utilizando técnicas ISO 9000 y otras ayuda a los talleres a hacer negocios juntos. Al revisar la documentación del proceso, es evidente si un taller puede hacer lo que dice.
puede hacer.

Resultados

Reliance, como la mayoría de los demás talleres, está bajo una presión extrema de sus clientes para reducir los plazos de entrega. Esta presión es generada por ciclos de vida de productos más cortos y programas de mejora continua dentro de estas empresas.

Además de fabricar componentes de juegos de troqueles y moldes para otros negocios, Reliance tiene un buen negocio de fabricación interno. Realizan numerosos estampados propios.

"El torneado duro nos ha ayudado a reducir las entregas a nuestros clientes de un promedio de 16 a 18 semanas a seis", dice el Sr. Schrieber. "También nos ha hecho trabajar con otros talleres de troqueles y moldes que no tienen la experiencia en torneado pero ven las ventajas del torneado duro sobre el rectificado para algunas aplicaciones.

"Nuestra propia operación de estampado se ha convertido, en efecto, en un sitio de prueba beta para nuevos procesos y técnicas. Los probamos nosotros mismos antes de probarlos en la aplicación de un cliente", agrega el Sr. Schrieber.

Para Reliance, el torneado duro parece estar funcionando. Las ventas aumentaron un 44 por ciento, la base de clientes se está expandiendo y se prevé un crecimiento durante los próximos años de entre un 15 y un 20 por ciento.