Talleres expertos de matrices y moldes para componentes redondos precisos

Para muchos talleres en la fabricación, el trabajo de matrices y moldes suele referirse a la fabricación de piezas asimétricas. Los componentes de chapa son de varias formas, y las piezas de plástico moldeado por inyección van desde teléfonos hasta gabinetes de computadora.

Sin embargo, en el mundo de la fabricación de matrices y moldes, hay muchas piezas que son redondas. Tapones, sellos, juntas, por nombrar solo unos pocos, son piezas que requieren componentes de matrices y moldes que son redondos.

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

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

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

Matrices progresivas y compuestas

Los juegos de matriz incorporan una serie de componentes. Estos son a menudo partes individuales que se montan en la parte superior e inferior de las placas de la matriz. Este diseño permite que los ajustes se hagan en los componentes individuales del juego de matriz en lugar de en toda la unidad.

En una matriz progresiva, bobinas de chapa se alimentan entre las mitades superior e inferior del juego de matriz. Cada vez que la prensa cierra, una pieza completa es expulsada al final del recorrido de la prensa.

Una matriz progresiva puede tener dos, cuatro o incluso 16 estaciones diferentes para generar un estampado completo. Después de que la prensa completa un golpe, la bobina avanza de una estación de matriz a la siguiente. Algunos juegos de matriz están diseñados para estampar progresivamente una forma plana y luego doblar el estampado en una pieza 3D. Todo esto se hace en una prensa en una matriz progresiva.

Las matrices compuestas difieren de las progresivas en que crean un estampado completo con un solo golpe de la prensa. Las matrices compuestas formarán, perforarán y darán forma a la pieza todo en un solo golpe de la prensa.

Como las matrices progresivas, las matrices compuestas también se fabrican a partir 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 en duro?

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

Antes de implementar el torneado en duro, Reliance fabricaba sus juegos de matriz y componentes de moldes de la manera tradicional. Torneaban en bruto la pieza dejando material para rectificado, luego trataban térmicamente y rectificaban de acabado.

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 juegos de matriz y componentes de moldes fue dar a sus clientes piezas que fueran tan buenas o mejores que las que se habían rectificado.

"Al principio nuestro enfoque al torneado en duro fue prueba y error", dice Jeff Staes, quien desarrolló el proceso de torneado en duro en Reliance. "Las ventajas sobre el rectificado fueron inmediatamente aparentes para algunas de nuestras aplicaciones".

La mayoría del trabajo destinado al torneado en duro tiene requisitos de tolerancia de 0,0005 pulgadas. Pero con radios tan pequeños como 0,005 pulgadas y la necesidad de fusionar conicidades a radios, el torneado de punta única tiene ventajas distintas sobre el rectificado. Las conicidades, tanto ID como OD, que son necesarias para ángulos de desmoldeo y geometría de pieza, también se generan fácilmente en un centro de torneado.

"Intentar mantener un radio diminuto o generar conicidades con una muela de rectificar requiere afilados frecuentes, lo que ralentiza el proceso de producción", dice el Sr. Schrieber. "El rectificado de acabado de los últimos miles de pulgadas también consume tiempo porque la muela debe afilarse más frecuentemente. El grano más fino de la muela de acabado se carga más rápido que una muela de desbaste que restringe las tasas de arranque de material".

Lo que han aprendido

La clave para un torneado en duro exitoso comienza con el torneado en blando. Lograr acabados superficiales consistentes y precisiones dimensionales en piezas endurecidas requiere la cantidad correcta de material dejado después del torneado en bruto antes del tratamiento térmico del lingote.

Características geométricas como secciones de pared delgada a menudo necesitan tener más material dejado para torneado en duro debido a la tendencia a deformarse ligeramente en el tratamiento térmico. La idea es reforzar las secciones delgadas para tener suficiente material que permita cambios dimensionales del tratamiento térmico.

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

Mantener la misma tolerancia de material para torneado en duro es importante debido al desgaste de la herramienta. Generalmente, el proceso de torneado en duro es de dos pasos: una o más pasadas de desbaste seguidas de una pasada de acabado. Quitar la menor cantidad de material en la pasada de desbaste ahorra tiempo de producción pero, más importante, ahorra en la herramienta de desbaste en duro. "El desgaste de la herramienta de desbaste en duro afectará el acabado superficial y la dimensión en la pasada final", dice el Sr. Staes.

La herramienta de corte elegida por Reliance es CBN (nitruro de boro cúbico). Para series muy cortas o cortes interrumpidos se usan cerámicas, pero no desgastan tan bien como CBN para series de producción más grandes.

"El CBN tiene gran versatilidad", dice el Sr. Staes. La selección de plaquitas es un factor limitante, sin embargo. "Diseñamos plaquitas y las hacemos fabricar especialmente para nosotros por nuestros proveedores de herramientas. Creamos otras geometrías de plaquitas retrabajando plaquitas existentes en formas que necesitamos", continúa el Sr. Staes. "Aún no hay la variedad de formas y geometrías de plaquitas para CBN, pero está mejorando".

Acero para herramientas en el corte

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

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

En general, una plaquita CBN se fabrica soldando o uniendo de otra manera un borde preformado de material CBN a un sustrato de carburo. Esta unión tiende ser el punto débil del cortador.

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

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

"Con la pasada de desbaste completa y la mayor parte del material removido, la pasada de acabado puede entonces hacerse en la pared. Remover las 0,0010 pulgadas o menos de metal restantes pone menor presión de herramienta en la plaquita, particularmente si se usa una geometría de herramienta de ángulo de ataque pequeño", dice el Sr. Staes.

En operaciones de mandrinado, la altura central de la plaquita es un factor crítico para mantener exitosamente la dimensión y el acabado. Si la barra se flexiona, podría bajar el filo de corte por debajo de la línea central, resultando en menor vida de herramienta y mal acabado. El Sr. Staes recomienda barras de mandrinar de carburo sólido para torneado en duro. "Reducirán el problema de flexión y darán mayor capacidad de profundidad", dice.

Consideraciones de temperatura y sujeción

Para cuando una pieza se torneada en duro, su valor ha aumentado significativamente. Los costes acumulados incluyen material, tiempo de mecanizado en bruto y tratamiento térmico. Definitivamente no es momento para desechar una pieza así.

Cuando el Sr. Staes torneada estas piezas, le gusta vigilar las herramientas, especialmente cuando usa CBN. Algunas aplicaciones pueden cortarse en seco, pero otras se ven afectadas adversamente por temperaturas elevadas del proceso de mecanizado. Para controlar esto, mientras aún permite una vista clara de la zona de trabajo, Reliance usa aire de taller o una pistola de aire frío para mantener la temperatura de la pieza.

La sujeción de la pieza es otra consideración para fabricar componentes redondos de matrices y moldes. La redondez es una dimensión crítica para muchas de estas piezas, que frecuentemente tienen paredes muy delgadas.

"Usamos un plato manual de tres mordazas de seis pulgadas sujeto por el plato hidráulico montado en el centro de torneado", dice el Sr. Staes. "Las mordazas blandas del plato manual son taladradas en la máquina dentro de 0,0005 pulgadas de concéntrico".

Técnicas de inspección

Gran parte del trabajo de componentes de matrices y moldes que hace Reliance es relativamente fácil de inspeccionar para precisión dimensional y acabado superficial. Tienen todo el equipo de inspección, documentación y técnicas de trazabilidad necesarias para calificar para ANSI/ASQC Q9001-1994 e ISO 9000.

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

"Para formas ID y OD, solíamos cortar una pieza a la mitad periódicamente para verificar las características", dice el Sr. Schrieber. "Ahora usamos material dental [un vinil polisiloxano de alta viscosidad] para tomar una impresión de la característica. Ese material se verifica luego en un comparador óptico. Es una técnica que ha funcionado bien para nosotros y es muy precisa cuando se hace correctamente".

Asociación entre talleres

Reliance ha construido una reputación impresionante para la fabricación de componentes redondos de matrices y moldes. "Muchos de nuestros mejores clientes son otros talleres de herramientas que necesitan nuestra experiencia en producir piezas redondas", dice el Sr. Schrieber. "Especialmente si surge una aplicación difícil de rectificar. Conseguimos mucho negocio para torneado en duro".

Llámalo asociación o especialización, talleres que podrían haber considerado competidores trabajan juntos para entregar buenas piezas a los clientes. Es una tendencia en la operación de talleres subcontratistas que refleja las realidades del entorno de fabricación actual.

Talleres como Reliance proporcionan servicios especializados a otros talleres que necesitan esas especialidades. Del mismo modo, cuando Reliance se encuentra con un problema de proceso más allá de su capacidad, solicitará ayuda a otros talleres.

Estandarizar la documentación de procesos usando técnicas ISO 9000 y otras ayuda a los talleres a hacer negocios juntos. Es fácilmente aparente revisando la documentación de procesos si un taller puede hacer lo que dice que puede hacer.

Resultados

Reliance, como casi todos los demás talleres, está bajo extrema presión de sus clientes para reducir plazos de entrega. Esta presión es generada por ciclos de vida de producto acortados y programas de mejora continua dentro de estas empresas.

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

"El torneado en duro nos ha ayudado a reducir entregas a nuestros clientes de un promedio de 16 a 18 semanas a seis", dice el Sr. Schrieber. "También nos ha traído negocio de otros talleres de matrices y moldes que no tienen la experiencia en torneado pero ven las ventajas del torneado en 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 una aplicación de un cliente", añade el Sr. Schrieber.

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