Un proceso de cinco ejes, 10 elementos de automatización

La automatización es evidente incluso para el ojo inexperto cuando observa la nueva máquina de cinco ejes de Phoenix Proto con sistema de carga de paletas y grupo de paletas de seis estaciones (lo mismo ocurre con una de sus máquinas de tres ejes equipada de manera similar). Dicho esto, hay otros elementos de automatización, quizás más sutiles, que comprenden el proceso de cinco ejes del taller. De hecho, son estos elementos los que permiten que el proceso logre repetidamente las tolerancias y los acabados superficiales requeridos para los componentes del molde de aluminio del taller mientras, con una intervención humana mínima o nula, se ajusta a las variables inherentes que pueden afectar negativamente la precisión y el rendimiento del mecanizado.

Este punto sobre el rendimiento es importante, porque el objetivo del taller de Centreville, Michigan, es proporcionar moldes de aluminio ensamblados a los clientes en un plazo de tres semanas, por lo que es imperativo una entrega rápida de componentes de herramientas maquinadas de calidad.

Bob Lammon, presidente de la empresa, dice que el aluminio sigue usándose comúnmente para fabricar prototipos y herramientas "puente" (moldes que se usan temporalmente para permitir que una empresa comience a moldear por inyección piezas de plástico para nuevos productos mientras espera que se complete la producción de herramientas de acero). Sin embargo, está viendo un mayor interés en los moldes de aluminio utilizados para la producción en lugar de los tradicionales de acero.

“Dependiendo de la resina y la geometría de la pieza moldeada por inyección, es posible obtener 50 000 disparos de un molde de aluminio sin recubrimiento”, explica el Sr. Lammon. “En algunos casos, esto podría ser suficiente para satisfacer las necesidades de producción. Sin embargo, al endurecer los moldes de aluminio a 54 HRC a través de tecnología como el proceso de recubrimiento de níquel duro Nibore que utilizamos, es posible obtener 1 millón o más disparos para una resina no abrasiva y quizás 250 000 para una resina abrasiva con fibra de vidrio. .”

Las aplicaciones para los moldes que produce el taller son muy variadas, incluidas piezas para las industrias de electrodomésticos, automotriz, de consumo, médica y de armas de fuego. Esto conduce a una gran combinación de tamaños de molde, características y geometrías que el área de mecanizado debe acomodar en poco tiempo. El Sr. Lammon dice que la solución natural parecía ser la automatización de un proceso de mecanizado de cinco ejes de alta velocidad para obtener largos tramos de producción sin supervisión o sin luces para los componentes de moldes más complejos. Esto se está dando cuenta, como aprendí durante una visita reciente a la tienda de Michigan.

Adiciones de automatización

Phoenix Proto tiene tres máquinas de alta velocidad y tres máquinas CNC convencionales. El primer centro de mecanizado automatizado que agregó el taller fue una máquina de tres ejes Roeders RXP500 comprada en 2012. Esta máquina de motor lineal de 42 000 rpm cuenta con un sistema de cambio de tarimas RCE 1 con un grupo de tarimas de seis estaciones. Ahora se utiliza principalmente para mecanizar componentes como bases de moldes y bloques de cavidades.

En la actualidad, casi todo el mecanizado de las cavidades y los núcleos de los moldes se realiza en la nueva Roeders RXP601DSH de cinco ejes con un sistema de cambio de paletas RCE 2 más grande. Esta, la primera y (al menos por ahora) única máquina de cinco ejes del taller, se instaló a principios de 2016. Al igual que la Roeder de tres ejes y alta velocidad, también tiene un husillo de 42 000 rpm y motores lineales. con resolución de 1 nanómetro. Los motores lineales son clave para un movimiento rápido, lo que permite velocidades de avance rápidas de 2362 ipm. También ofrecen menos fricción que los husillos de bolas, lo que conduce a un menor consumo de energía.

La máquina de cinco ejes con una envolvente de mecanizado de 21,3 x 25 x 15,7 pulgadas y un peso máximo de la pieza de trabajo de 440 libras presenta un diseño de estilo muñón con un giro del eje A de ±115 grados. El otro movimiento giratorio lo proporciona el plato del eje C en el muñón. Según Matt Byers, presidente de Roeders of America, el diseño de muñón en el que el husillo no proporciona movimiento de eje de rotación tiende a ser más rígido que las plataformas de máquinas alternativas de cinco ejes para permitir cortes pesados. Además, el centro de gravedad bajo de la pieza de trabajo mantiene bajas las fuerzas de inercia para mitigar cualquier efecto de vuelco o inclinación durante el movimiento a alta velocidad.

El Sr. Byers también cree que la tecnología de control patentada de la máquina ofrece ventajas para el tipo de fresado de alta velocidad que realiza Phoenix Proto. Dos parámetros importantes para facilitar un fresado eficaz a alta velocidad son la anticipación y la velocidad de procesamiento de bloques. El CNC RMS6 basado en PC de la máquina ofrece una anticipación de 10 000 bloques y una velocidad de procesamiento de bloques de 0,1 milisegundos.

El alto rendimiento que es posible gracias a los rápidos tiempos de ciclo de la máquina utilizando técnicas de mecanizado de alta velocidad se complementa con todos los elementos de automatización que se incorporan a este proceso. Aquí hay 10 elementos de automatización que noté durante mi visita:

1. Sistema de carga y pool de palets

El sistema de cambio automático de tarimas RCE 2 de la máquina de cinco ejes tiene un grupo de tarimas de seis estaciones, aunque el taller a veces coloca más de una pieza en una tarima. Cada paleta mide 23,6 por 15,7 pulgadas.

A pedido de Phoenix Proto, se modificó la pinza del sistema de carga. Originalmente, no podía haber ninguna parte que sobresaliera de los bordes del palé. Al modificar la pinza para que levante desde la parte inferior del palé, el sistema ahora puede cargar piezas de trabajo más grandes. Ahora, el tamaño de la pieza está limitado solo por la capacidad de la máquina, no por el cargador.

El taller utiliza el software de gestión de trabajos de Roeders para programar y gestionar trabajos. Intenta programar los largos para que funcionen durante la noche y los fines de semana, y actualmente ejecuta un turno de 12 horas cinco días a la semana. Alternativamente, intenta asegurarse de que haya suficientes trabajos de ejecución más cortos configurados para permitir que la máquina permanezca ocupada por sí sola.

2. Máquina

El mecanizado de cinco ejes es en sí mismo una forma de automatización. Hay dos tipos de procesos de cinco ejes:contorneado y posicionamiento (también conocido como “3+2”). Phoenix Proto realiza posicionamiento 3+2 en esta máquina el 75 por ciento del tiempo. Para ello, la máquina utiliza sus dos ejes rotativos adicionales únicamente para inclinar angularmente la pieza de trabajo y luego bloquearla en esa posición. Después de eso, realiza lo que equivale a una operación de tres ejes en esa orientación. Una ventaja es que esto ofrece acceso a la herramienta a cinco lados de una pieza en una fijación. Esto minimiza la cantidad de configuraciones, la cantidad de máquinas por las que de otro modo tendría que pasar una pieza y, por lo tanto, la cantidad de veces que se "toca" una pieza durante la producción (es decir, es "automatización").

La capacidad de inclinación de piezas a través de 3+2 también permite que las herramientas lleguen más adentro de las piezas para crear características de molde complicadas, como nervaduras profundas. En algunos casos, esto ha eliminado las operaciones de electroerosión por penetración secundaria y la necesidad asociada de mecanizar electrodos. Además, los portaherramientas de ajuste por contracción que se usan tienen diámetros más pequeños que los diseños de estilo de boquilla para proporcionar espacio libre adicional.

Con 3+2, el taller también puede usar cortadores más cortos y rígidos. Se pueden realizar cortes más rápidos y agresivos utilizando herramientas más cortas sin tanto riesgo de vibración o traqueteo que puede ocurrir si se requieren herramientas más largas. La vibración y el traqueteo pueden dar lugar a acabados superficiales deficientes que, en el caso de Phoenix Proto, requerirían más trabajo de banco manual para los componentes del molde o incluso trabajo secundario de EDM para lograr acabados de calidad, lo que prolongaría el tiempo total de producción. El taller también puede mejorar la vida útil de la herramienta para las fresas de extremo esférico, porque cuando las piezas se inclinan en diferentes ángulos, se puede usar más radio de la herramienta, no solo la punta. Mecanizar en otras áreas del radio y no en la punta (el punto donde la velocidad de rotación es cero) también conduce a mejores acabados superficiales.

3. Sondeo de activación por contacto

Después de cargar una pieza nueva en la máquina, una rutina de inspección automática con una sonda de disparo por contacto identifica la ubicación de varios puntos en la pieza o en el dispositivo de sujeción para establecer la ubicación exacta de la pieza en la máquina. Luego, el CNC de la máquina ajusta automáticamente el sistema de coordenadas de trabajo nativo para que coincida. Esto elimina el calce manual, el desplazamiento de piezas y otras tareas que requieren mucho tiempo y que de otro modo serían necesarias para nivelar y alinear la pieza para que coincida perfectamente con el sistema de coordenadas de la máquina.

4. Ciclo de calibración automática

La máquina de cinco ejes tiene varios canales de enfriamiento en su base, rieles, carros, etc., por lo que esos componentes no se expandirán debido a las fuentes internas de calor. Sin embargo, para adaptarse a las fluctuaciones en la temperatura ambiente dentro de una tienda (por ejemplo, desde el comienzo hasta el final del día), se puede realizar un ciclo de calibración automática utilizando la sonda de activación por contacto.

El ciclo de calibración de Roeders se lleva a cabo de manera diferente a la mayoría de los procesos de los demás fabricantes de máquinas herramienta, explica el Sr. Byers. Él dice que esos ciclos generalmente requieren que la paleta actualmente cargada en la máquina se retire y se reemplace con otra paleta que tenga una bola de herramientas. Luego, se sondea esta bola para determinar cuánto cambio en su ubicación se ha producido debido a cambios en la temperatura ambiente del taller. Por el contrario, el ciclo Roeders no requiere que se retire el palé existente con la pieza de trabajo. La máquina tiene prismas rectificados con precisión en la pieza fundida del brazo giratorio y en la pieza fundida del motor del eje C que se prueban para determinar cualquier cambio de posición y, si es necesario, compensar automáticamente esos cambios. Phoenix Proto realiza esta rutina de calibración una vez al mes a menos que se detecte un problema y, a veces, la realiza antes de un paso de acabado crítico.

5. Compensación de crecimiento del huso

El Sr. Byers dice que algunos fabricantes de máquinas herramienta crean algoritmos para cada máquina antes de enviarla a un cliente para aproximar cuánto se expandirá su husillo a diferentes velocidades y tiempos de funcionamiento. Sin embargo, señala que es esencialmente imposible dar cuenta de todas las diversas formas en que el cliente puede usar la máquina de un día para otro. La máquina de cinco ejes de Phoenix Proto tiene un sistema de compensación de husillo automático opcional para adaptarse a la expansión (o contracción) del husillo en tiempo real. El sistema utiliza un sensor sin contacto conectado a un brazo en forma de L colocado cerca de la cara del husillo (vea la foto en la presentación de diapositivas arriba). El sensor con resolución nanométrica detecta cuánto se expande o contrae el husillo durante la operación y devuelve esa información al CNC para ajustar el eje Z hacia arriba o hacia abajo para compensar. Esto es especialmente importante para las operaciones de cinco ejes, porque cuando se inclina una pieza, el crecimiento del husillo podría afectar la ubicación de la punta de la herramienta en los tres ejes lineales, no solo en Z. La compensación automática ayuda a garantizar acabados superficiales y mezclas buenos y uniformes.

6. Configuración de herramientas láser en la máquina

Después de cada cambio de herramienta, la longitud y el diámetro de la nueva herramienta se miden automáticamente utilizando la sonda de reglaje de herramientas láser de Blum en la máquina. (La sonda láser y la bola de herramientas de calibración de la sonda de contacto están ubicadas fuera del área de mecanizado en el cambiador de herramientas para que estén protegidas contra las virutas y el refrigerante). El taller especifica una banda de tolerancia para el diámetro de cada herramienta. Si la sonda detecta que el diámetro de una herramienta está fuera de tolerancia, no permitirá que se realice el mecanizado con esa herramienta. Por ejemplo, si una fresa de extremo esférico de 0,250 pulgadas mide ±0,0002 demasiado grande o demasiado pequeña, no se utilizará. Esto también se aplica a la longitud del cortador.

Antes de esto, el láser determina si la herramienta que se está cambiando se ha roto. Si la herramienta está rota, pero está programada para usarse en trabajos posteriores en cola en el grupo de paletas, no detendrá la producción en esos trabajos. “Por ejemplo, si se descubre que la herramienta en la posición cinco del ATC está rota, la máquina quitará la pieza en la que se rompió esa herramienta, cargará el siguiente trabajo programado y ejecutará ese trabajo hasta que llegue a la etapa en la que la herramienta en la estación cinco se utilizaría”, explica el hijo del Sr. Lammon, Scott, director de operaciones de la empresa y uno de los dos que programan y configuran la máquina de cinco ejes. “Luego, la máquina eliminaría esa parte y pasaría al siguiente trabajo en la cola. Este proceso continuaría para cada trabajo cargado.”

7. Ajuste de la boquilla de refrigerante

En lugar de usar solo boquillas de refrigerante flexibles convencionales que deben colocarse manualmente, la máquina de cinco ejes tiene un sistema de suministro de refrigerante que ajusta automáticamente la dirección del flujo de refrigerante al punto de corte, sin importar la longitud de la herramienta. La dirección de las boquillas se ajusta a través de un código M basado en la longitud conocida de la siguiente herramienta que se instala en el husillo.

8. Función de programación de inclinación automática

Chris Claar es el gerente de ingeniería de Phoenix Proto, quien también programa y configura la máquina de cinco ejes. Él dice que en 2010, el taller realizó un estudio de tiempo comparando su software CAD/CAM anterior con el software Cimatron. “Cambiamos a Cimatron después de que nuestro estudio mostrara un ahorro del 30 por ciento en el tiempo de programación en comparación con el otro software”, explica el Sr. Claar. “Una característica que ahorra tiempo y que apreciamos es la función de inclinación automática de cinco ejes. Debido a que tenemos todos los componentes de la máquina, así como la pieza de trabajo, las fijaciones y las herramientas modeladas en 3D en el software, la función de inclinación automática puede determinar a qué profundidad el cortador o el portaherramientas golpearían la pieza y luego inclinar automáticamente la pieza para evitar que se rompa. bloquee y permita que la operación continúe”. El software también utiliza esos modelos 3D para permitir a los programadores realizar simulaciones fuera de línea de operaciones de mecanizado para detectar posibles fallas.

9. Comprobación de sintaxis

Además de que los programadores ejecutan simulaciones fuera de línea en Cimatron para cada programa, también usan una función de verificación de sintaxis en el control de Roeders que revisa automáticamente el programa y el posprocesador para identificar cualquier error antes de programar ese trabajo.

10. Reinicio del programa

Si es necesario detener la máquina en medio de un programa, no es necesario que el programador acceda manualmente al programa publicado, busque el número de línea en el que se detuvo la máquina y luego borre todo el código anterior. por lo que se reinicia en la posición adecuada en la que se quedó. Con el control de Roeders, un operador simplemente ingresa el número de línea en el archivo de comando, y automáticamente leerá el programa y reiniciará desde allí.

Automatización Tranquilidad

Aunque se pensó mucho en la estrategia de mecanizado desatendido de Phoenix Proto, se da cuenta de que puede ocurrir lo inesperado. Es por eso que las máquinas Roeders de tres y cinco ejes están configuradas para enviar alertas de texto o correo electrónico con mensajes de error. También es posible iniciar sesión de forma remota en los controles de las máquinas a través del software en línea "Team Viewer", al igual que los técnicos de servicio de Roeders pueden realizar diagnósticos remotos de la máquina para tener una idea de si es necesario reemplazar un componente, si es necesario cambiar una unidad. ser sintonizado y así sucesivamente. (De hecho, el ajuste de la unidad se puede realizar de forma remota con este software, dice el Sr. Byers).

Dicho esto, la tienda tiene otra opción. Ha colgado una cámara del techo entre las dos máquinas Roeders a la que sus programadores pueden acceder a través de sus teléfonos para ver lo que está pasando (vea la foto en la presentación de diapositivas en la parte superior de esta página). Pueden desplazar la cámara y hacer zoom en una máquina o en su pantalla CNC para ver (y escuchar) el estado de los trabajos que se están ejecutando actualmente. “Tan ocupados como estamos ahora, revisaré mi teléfono en ciertos momentos durante la noche, porque una máquina apagada realmente puede complicar nuestro horario”, dice el Sr. Claar. "Es como si estuviera parado frente a la máquina".