Torneado Near-Net-Shape: Simplificando la Automatización para la Fabricación Moderna

El torneado near-net-shape (NNS) es una tendencia que se ha abierto paso en la fabricación mainstream en dos décadas. La idea la entiende casi todos en el sector. En su raíz, NNS simplemente significa torneado de piezas formadas o fundidas cerca de dimensiones finales. Las implicaciones continúan desplegándose a medida que máquinas, herramientas y procesos incorporan nuevos desarrollos.

La mayoría del torneado NNS implica mecanizado de muy pocos elementos en una pieza; a menudo uno o dos, rara vez más de tres. A menudo produce dificultades de sujeción porque las piezas típicas son de sección delgada, o fundidas/formadas sin dispositivos de sujeción o datum de medición. Al ser la operación final de acabado, suele caer en torneado de alta precisión, mandrinado o planeado.

La implicación más importante del torneado NNS es cómo ha influido en tendencias de automatización. Cuando el tiempo de generación de viruta se vuelve parte menor del tiempo total de ciclo, la manipulación de piezas y cambio de herramienta emergen como principales obstáculos para mayor eficiencia. El torneado NNS ha evolucionado para llevarse muy bien con la manipulación y cambio de herramienta más simples —tendencia que se extiende algo más allá del propio NNS, desafiando la sabiduría convencional sobre cuánta complejidad es buena para eficiencia y rentabilidad.

Entrada y Salida de Piezas Rápida

"Nuestro trabajo es meter y sacar piezas de la máquina lo más rápido y consistentemente posible", dice Dan Kruse, gerente de operaciones de Bearing Technologies, Inc., Div. de MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Se refiere a las pistas de rodamientos que fabrican, mecanizadas desde secciones cortadas de tubo de acero 4118. Aunque el trabajo es marginalmente NNS (se quita hasta 0,080" en hasta tres pasadas), emplea la tecnología de automatización y enfoque de proceso que el NNS ha fomentado.

Bearing Technologies usa dos máquinas de cuatro ejes con herramientas gang, enlazadas en celda mediante sistema de transferencia lineal tipo pórtico. Las máquinas reflejan la influencia del NNS en el diseño de tornos de producción. Pequeñas, fuertemente acopladas, con capacidad para solo una o dos herramientas en cada uno de dos bloques de herramientas montados en carro transversal ("gang"), estas Wasino SS-8 se centran en torneado de piezas pequeñas que requieren mecanizado de pocos elementos.

Sin torretas que indexar, el cambio de herramienta es rápido. El tiempo de corte también se minimiza con corte simultáneo de cuatro ejes y dos herramientas. Pero solo el 15% de los ciclos cortos de 30-40 segundos implica manipulación. Los tiempos de carga y descarga se han reducido al límite que permite el estado del arte.

Usan el ejemplo extremo de carga/descarga rápida y simple: sistema de tolva por gravedad alimenta piezas en línea recta y con un solo movimiento. Solo sirve para piezas anulares o disco, pero cumple el objetivo de manipulación NNS. Usa el mínimo movimiento mecánico y carga en la ruta práctica más corta.

Antes usaban tornos de dos ejes con cargadores convencionales. Su tiempo de corte era 25% mayor que los nuevos de cuatro ejes. Pero la mayor diferencia está en manipulación: el tiempo total de ciclo era aproximadamente tres veces mayor antes de cambiar a cargadores por gravedad.

Tolerancias Nivel Rectificadora

Muchas aplicaciones NNS llevan la precisión de la máquina al extremo, a menudo reemplazando operaciones de rectificado y realizando todo el torneado en un solo paso, o en un solo paso por una celda que torne ambos extremos. Las aplicaciones de torneado duro a menudo caen aquí. Para engranajes de metal sinterizado (PM), bujes y piezas pequeñas, el torneado duro se ha vuelto competidor serio del rectificado. Esta clase de trabajo es subcategoría de NNS y exige misma eficiencia en manipulación y precisión.

También prima la rigidez de la máquina y la ingeniería de herramienta. Aunque cerámicas se usan en torneado duro ligero, fue la introducción de herramientas de nitruro de boro cúbico policristalino (PCBN) lo que llevó el torneado duro a producción mainstream. Duran largas series y producen gran consistencia de desgaste —siempre que se preste atención a la preparación del filo.

El torneado NNS de precisión, duro o blando, suele requerir desarrollo extra de aplicación. Configuraciones y materiales de herramienta son críticos para piezas blandas y duras, donde largas series combinan alta precisión y acabado fino. Muchas piezas presentan demandas especiales de sujeción.

Mecanizar pistones pequeños para equipos de jardinería ilustra bien las características especiales del NNS. Fundidos a presión de precisión en secciones delgadas, sin datums accesibles, son difíciles de sujetar con precisión y tienden a distorsionarse. Aun así, a menudo se pueden torne los faldones a ±50 millonésimas (0,000050").

El peso ligero es objetivo clave para pistones pequeños, y son aplicación natural para fundición a presión de precisión. Pero el proceso no produce elementos para sujetar por dentro. Hay que mecanizar todo el diámetro exterior, y el único datum para orientación del eje es el interior de la cúpula o coronilla.

El torneado es, por tanto, trabajo de mecanizado a doble extremo, donde un diámetro exterior acabado en el extremo de la coronilla debe continuarse en el faldón sin perder concetricidad. Las paredes delgadas y fácilmente deformables del faldón dificultan la tarea.

La respuesta es combinación de sujeción neumática de precisión delicada y mordazas torneadas en sitio —duradas, para alta producción. Usar mandrinos neumáticos a 60-70 psi máx. resuelve muchos problemas de sujeción de secciones delgadas. Sujetan con precisión en amplia gama de presiones, quizás 30 psi hasta 70 máx. Incluso con mordazas lisas, logran agarre adecuado si fuerzas de corte son bajas, como en pistones de aluminio.

Aun hay más para mantener precisión en piezas de sección delgada que solo sujetarlas bien. Los pistones presentan otro problema: los orificios de bulón, que roscamos en centro de mecanizado coordinado en la misma celda, están en bosses de pared delgada. Estos se calientan rápido en el primer paso de torneado y luego se cierran al enfriar, expandiendo y contrayendo el diámetro exterior del pistón 0,00015-0,00020". En algunas aplicaciones NNS, tales distorsiones térmicas son extremadamente difíciles de manejar.

La flexibilidad y sensibilidad térmica de piezas NNS siguen impulsando mejores soluciones de sujeción. Tornear mordazas en sitio en la máquina se ha vuelto práctica estándar. También es común taladrarlas cónicas para compensar flexión en uso. Mecanizar raíces de mordazas duras a diámetro mayor que sus extremos, 0,0005-0,001", es recomendable.

Es necesario diseñar mordazas para máxima área de contacto con presión ligera. Incluso así, fuerzas de corte pueden superar el agarre y permitir deslizamiento. Serrados cuadrados ordinarios no ayudan mucho, pero hay buen éxito con mordazas serradas afiladas, mecanizadas a medida por aplicación. Lo más práctico es hacerlas como insertos atornillados, torneados y serrados junto al eje del husillo, como pieza cilíndrica única y luego serrados para separar insertos por mordaza.

Los serrados marcan la pieza, así que no resuelven todo. Pero han resuelto algunos muy difíciles. En una aplicación, torneado de buje de aluminio 390 fundido a presión, sujeción con mordazas lisas dio variaciones de 0,0001-0,0003" en redondez, debido a presiones de mordaza para evitar deslizamiento y línea de partición inconsistente en OD del fundido. Con mordazas serradas, la presión pudo aumentarse y mejorar redondez a 30-50 millonésimas (0,000030-0,000050").

Piezas duras presentan dificultades aún mayores. El deslizamiento es problema porque fuerzas de corte son mayores. Y muchas, especialmente engranajes, no pueden sujetarse en superficie geométrica simple.

Sujetar en la línea de paso del engranaje es el ideal teórico, porque si se mecaniza un orificio o buje de referencia (lo usual), se quiere que el engranaje terminado gire en su línea de paso para operación silenciosa y suave. En engranaje cónico o incluso plano, la línea de paso no es superficie obvia. De hecho, no se ve. Es círculo teórico en los dientes.

Resolvimos este rompecabezas usando dispositivos de sujeción en línea de paso. Son caras de "engranaje" endurecidas y electroerosionadas que montan en el plato y que se acoplan con la pieza, asegurando que gire concéntricamente con su línea de paso. Al poner la pieza en contacto, las dos formas se acoplan naturalmente en círculo de menor interferencia, que es la propia línea de paso.

Una aplicación de engranaje cónico de alto volumen en planta de Black & Decker en Easton, Maryland, ha funcionado con esta configuración en producción alta por años. Piezas PM endurecidas e infiltradas en cobre se fresan y mandrinan en máquina gang con herramientas PCBN. El dispositivo requiere indexar la pieza al cargar para evitar choque diente-diente —lo que plantea el siguiente gran tema en torneado NNS automatizado: sistemas de manipulación.

Manipulación para Torneado NNS

La manipulación para NNS debe ser rápida, porque los tiempos de ciclo dependen de ella. La aplicación de carga de engranajes sugiere que también debe ser versátil, para acomodar algo tan delicado como orientar dientes para acoplar con dispositivo. Uno de los desarrollos más notables del NNS han sido estos sistemas rápidos y versátiles de carga/descarga, que también tienen virtudes de ser simples, contenidos en la máquina herramienta, y fáciles de controlar con CNC estándar —idealmente el mismo que controla el torno.

Esto es "automatización autocontenida", y requiere definición. Aquí la configuración típica de un torno NNS contemporáneo: es de herramientas gang, porque solo se mecanizan pocos elementos. Esto resulta en acoplamiento mecánico estrecho entre herramienta y bancada. Lo hace rígido e inherentemente más fácil de construir con precisión, sin bujes de torreta ni engranajes de indexado.

El cargador tipo pórtico se construye sobre la máquina, unido directamente a la bancada. La ruta de los garras es estrictamente rectilínea, desde un carrousel de staging integrado en la propia máquina. La cabeza del garra se mueve longitudinalmente y verticalmente en los extremos, tomando y colocando piezas en el carrousel y en el plato.

Los pórticos actuales usan accionamientos programables y garras tipo plato con mordazas blandas. Los cambios de pieza son rápidos. Como los movimientos de carga/descarga son pocos y los desplazamientos involucran un solo eje a la vez, sus programas son cortos. Pueden almacenarse y controlarse desde el CNC de la máquina.

Es un paquete inherentemente preciso, muy compacto y modular, que se presta a fácil ensamblaje de celdas multi-máquina. Los pórticos pueden alimentar sistema de transferencia intermedio, construido con mismas líneas simples y rectilíneas, para intercambiar piezas entre máquinas.

Volviendo a la aplicación de engranajes: requiere orientar la pieza, pero las garras son tipo plato e indiferentes a cómo recogen piezas del carrousel. ¿Cómo la orientan? Pausando en estación intermedia, donde sueltan la pieza sobre un dispositivo rotativo que usa haz de luz para detectar dónde están los dientes, y rota el engranaje según necesario para evitar choque. La garra la recoge de nuevo y continúa al plato.

Así, el sistema pórtico descrito es simple pero no simplista; puede elaborarse, gracias a su programabilidad, para hacer algo extra con la pieza. Orientarla es una tarea. Medirla (gauging) otra para aplicaciones SPC en línea.

El torneado near-net-shape prima precisión y rapidez, y permite manipulación de herramienta y pieza simples, por la naturaleza de piezas típicas NNS. Los centros de torneado automatizados que han evolucionado para atender esta demanda son simples sin ser simplistas: programables para tareas especiales, incluyendo medición y orientación de piezas.

En efecto, estos centros son automatización pre-empaquetada. Rápidos de configurar, capaces de precisiones extremas, y versátiles, marcan el camino hacia mejor automatización para muchas otras aplicaciones de mecanizado, más allá del torneado de near-net-shapes.