Optimización de la producción: Ahorro de costes con mecanizado en una sola sujeción

¿Cómo minimizar el coste unitario de piezas complejas que requieren torneado, fresado y taladrado? Para Steve Hattori, la respuesta es simple: mecanícelas con una sola sujeción y haga que esa sujeción sea lo más simple posible.

El presidente del taller subcontratista Salinas Valley Precision (Salinas, California), el Sr. Hattori, solía necesitar un mínimo de tres máquinas para producir cualquier pieza redonda compleja a partir de macizo: una sierra de cinta para cortar la barra a medida, un torno y un centro de mecanizado para añadir planos y agujeros. Ahora, el taller deja que una sola máquina haga todo este trabajo, convirtiendo barra sin cortar en piezas terminadas automáticamente, reemplazando eficazmente numerosas sujeciones con una sola.

"Cualquiera que defienda la forma antigua nunca ha intentado mecanizar un carrete de pesca", dice el Sr. Hattori. De hecho, la primera vez que un fabricante local de artículos deportivos le ofreció la pieza del carrete, Hattori la rechazó. En aquel entonces, la pieza era demasiado compleja para ser rentable. Cortada de aluminio macizo con el 90 % del material mecanizado, el carrete de 3,25 pulgadas de diámetro consta de dos bridas fáciles de deformar de menos de 0,1 pulgadas de espesor, conectadas por un núcleo ahuecado con paredes no mucho más gruesas.

La pieza debe ser atacada por todos los lados. Cada brida está perforada por 12 agujeros de 0,45 pulgadas de diámetro, que sirven para reducir peso. La circunferencia del núcleo incluye 12 ranuras ovaladas de aligeramiento. Finalmente, un avellanado en una cara incluye 36 serraturas para el mecanismo de trinquete de la caña de pescar, más un alojamiento de cojinete a presión con una tolerancia total de 0,0002 pulgadas en diámetro.

"Y toda esa geometría era solo la mitad del problema", dice el Sr. Hattori. "El resto era el tamaño del lote. Podríamos haber mecanizado la pieza usando fijaciones complejas en el centro de mecanizado, junto con el torno CNC que usábamos en ese momento. Pero esto habría incurrido en un gran coste de preparación, imposible de amortizar sobre la pequeña serie de la pieza, a menudo tan baja como 100 piezas".

El Sr. Hattori mecanizó el prototipo del carrete, pero no se molestó en pujar por la pieza de producción. Al menos, no al principio. Desde entonces, sin embargo, la pieza se ha convertido en una importante fuente de ingresos para el taller de 10 empleados. Eso ocurrió después de que el Sr. Hattori reinventara su proceso.

Mecanizado todo en uno

El resultado clave del ingenio del Sr. Hattori es un proceso donde todas las operaciones de torneado, fresado y taladrado se combinan en una sola máquina, un centro de torneado CNC Mazak "Super Quick Turn" (SQT) 15MS-Y. Además de contar con un complemento de herramientas rotativas para operaciones de fresado y un husillo secundario opuesto para torneado de la segunda cara, la máquina está equipada con un eje Y programable con cuatro pulgadas de carrera. Esta capacidad del eje Y permite realizar operaciones de fresado descentradas mientras la pieza permanece sujeta en el husillo principal o secundario.

Mediante una entrega coordinada y automática entre los dos husillos, se puede acceder a todas las superficies de la pieza sin intervención humana. Cada operación de torneado, fresado y taladrado se realiza sin "soltar" la pieza, manteniéndose así las referencias de posición críticas de la pieza durante todo el proceso de mecanizado.

Los blancos de pieza se alimentan a la máquina con un alimentador de corte Mazak Cut-Feeder. Al igual que la capacidad fresado-taladrado permite al centro de torneado reemplazar a un centro de mecanizado, el Cut-Feeder elimina la sierra de cinta del proceso y también reduce el retraso entre ciclos consecutivos de piezas a solo unos segundos. El Cut-Feeder no solo avanza la barra, la corta a medida, de 0,60 a 5,11 pulgadas. Ejecuta este corte mientras el SQT mecaniza la pieza actual, y luego carga la nueva pieza a través del plato en cuanto el torno está listo para el siguiente ciclo.

El alimentador automático ayuda a minimizar el tiempo de preparación. La unidad almacena hasta cinco barras de 3,25 pulgadas de diámetro usadas para carretes y avanza y corta cada una sin rotación. En lugar de una metodología convencional de alimentación de barras, el Cut-Feeder sujeta la barra fija mientras las herramientas de corte giran alrededor del material, alimentándose lentamente hasta que el corte está completo. Como las barras no giran, no se necesita pre-mecanizado para hacerlas redondas (incluso perfiles cuadrados o hexagonales funcionan). Como resultado, el Sr. Hattori puede simplemente dejar caer una o más barras en el alimentador y dejar que el centro de torneado las convierta en piezas mecanizadas terminadas. El desbarbado final es la única operación que se realiza fuera de la máquina.

El proceso de mecanizado implica 20 cambios de herramienta pero no requiere operador, por lo que el Sr. Hattori a menudo lo deja funcionar sin supervisión, obteniendo 90 carretes por cada barra de 12 pies que carga.

Retorno de la imaginación

Los carretes salen del centro de torneado a razón de uno cada ocho minutos. Aunque el ciclo aprovecha las altas velocidades de husillo de la máquina —5000 rpm para husillos principal y secundario, 3000 para herramientas rotativas—, el Sr. Hattori atribuye la programación creativa como la razón principal de que el tiempo de ciclo sea tan bajo. Ex especialista en mecanizado para una firma de I+D aeroespacial, Hattori abrió su taller hace 10 años para poder seguir ideando estrategias complejas de mecanizado CNC después de que su empleador cerrara.

"El torno multitarea proporciona mayor retorno a la imaginación de un programador que cualquier otro que haya usado", dice. "Con tantas opciones en una máquina, siempre hay otra forma —y a menudo una mejor— de producir cualquier característica".

Por ejemplo, el Sr. Hattori encontró un método inusual para tornear las delgadas bridas del carrete de aluminio a alta velocidad sin deflexión. Después de mecanizar todas las características de una cara mientras la pieza está en el plato principal, su programa hace que el segundo plato agarre mientras mantiene el agarre del plato principal. Sujetar la pieza por ambos lados de esta manera elimina el problema de deflexión. A medida que los dos husillos giran al unísono, el metal entre las dos bridas se desbasta como si fuera una única ranura de 0,75 pulgadas de profundidad.

La capacidad del eje Y se utiliza para producir las serraturas del trinquete. En lugar de indexar la pieza con el husillo para cortar cada muesca —como se haría en un torno de herramienta viva tradicional—, el Sr. Hattori hace que el husillo principal mantenga la pieza quieta mientras la torreta se mueve de una serratura a la siguiente, usando interpolación X-Y. Aunque la torreta hace el movimiento solo ligeramente más rápido que el husillo de indexación, cuando esa diferencia se multiplica por 36 serraturas, la ganancia de productividad es pronunciada.

En otros casos, el eje Y produce características que podrían mecanizarse en un torno-fresadora convencional de tres ejes (X, Y y C). Un ejemplo es una rueda de trinquete de acero 4340 para el mecanismo de temporización de un sistema de ensamblaje robótico. La pieza tiene 3,25 pulgadas de diámetro con un disco de 3/16 pulgadas de espesor y un cubo integral más ancho, y parece una sierra circular con 12 dientes alrededor de la circunferencia. El eje Y permite mecanizar 12 planos alrededor de la circunferencia de la hoja. "Cada plano es un corte simple", dice el Sr. Hattori. "Antes necesitábamos un centro de mecanizado para esta pieza, pero ahora que puedo cortarla completa [en una sola sujeción], un lote de 100 ruedas tarda tres horas menos en mecanizarse".

Interpolación de tres ejes

Esta pieza es otro caso del diablo en las serraturas. Para un fabricante local de equipos médicos, el Sr. Hattori produce un soporte de 2 pulgadas de diámetro para la unidad de control de un catéter de mapeo cardíaco electrónico. La mitad de una articulación de bisagra que mantiene el control estable en numerosas orientaciones, la pieza presenta un plano largo a lo largo de la línea central donde se mecaniza la mitad de la parte superior. Este plano forma la superficie donde se encuentran las dos mitades de la articulación, e incluye un agujero para el pivote que las une. Alrededor de este pivote hay 30 serraturas en forma de sierra. Permitiendo que la articulación encaje y bloquee en varias posiciones, las serraturas forman un patrón simétrico de rayos de sol con el pivote en el centro, y encajan con un patrón similar en la otra mitad de la bisagra.

"Dos ejes lineales no son suficientes para mecanizar esta característica; hay que tener tres", dice el Sr. Hattori. "Aunque las crestas de las serraturas están en el mismo plano, las trayectorias de la herramienta no lo están. Usamos una fresa de extremo rectificada a medida que coincide con el ángulo del valle entre dos serraturas, pero incluso con esta herramienta, una trayectoria de dos ejes no puede cortar la forma correcta. En lugar del pico afilado necesario hasta la circunferencia del patrón, una trayectoria de dos ejes produciría un pico en forma de abanico, porque el espacio entre los dos cortes se volvería más grueso a medida que la herramienta se aleja del cubo".

Para resolver este problema, el Sr. Hattori interpola en tres ejes para hacer cada corte. El diámetro de la herramienta rectificada a medida es aproximadamente el tamaño de la distancia pico a pico en la circunferencia. Por lo tanto, el Sr. Hattori comienza en el cubo —donde la herramienta corta solo con su punta— y alimenta la herramienta hacia abajo en Y mientras se mueve hacia afuera a lo largo del radio del patrón en X y Z. De esta manera, las serraturas mecanizadas tienen el mismo espesor de pico en la circunferencia que en el cubo, y se mecanizan en una sola pasada. La pieza de bisagra de soporte también se mecaniza a partir de macizo —empezando con una barra de aluminio. El tiempo total de ciclo es de unos 12 minutos por pieza.

A diferencia del carrete de pesca, la bisagra de soporte formaba parte de la cartera de trabajo del Sr. Hattori incluso antes de comprar el centro de torneado multiproceso. Las piezas se cortaban originalmente en un torno CNC y un centro de mecanizado vertical. Para producir el cono redondo de la pieza, el torneado venía primero. "El perfil suave hacía que la preparación en el centro de mecanizado vertical fuera lenta", dice el Sr. Hattori. "No podíamos usar un torno, así que teníamos que atornillarla a una fijación a medida".

Ahora, ese problema ha desaparecido —porque los platos del centro de torneado sujetan la pieza tanto para torneado como para fresado. "El tiempo de fresado en el SQT es el mismo que en el centro de mecanizado, pero ahora nadie tiene que atornillar y desatornillar la pieza", dice el Sr. Hattori. "Es una gran diferencia. Solo con esa mejora, hemos reducido el tiempo de ciclo de la pieza de bisagra en más de un 30 por ciento".