Mejorando tornos CNC: del torneado al fresado y taladrado

Hubo un tiempo en que los tornos mecanizaban piezas redondas. Todavía lo hacen.

Sin embargo, los fabricantes de máquinas herramienta reconocieron que las piezas torneadas a menudo requieren al menos algo de trabajo de fresado o taladrado también. Con la pieza ya sujeta en el torno, y con un torno CNC ya capaz de los movimientos que podrían alimentar herramientas rotativas eficazmente, fue lógico aumentar las capacidades de los tornos añadiendo husillos extra para el trabajo de herramienta rotativa. Lo que antes eran máquinas dedicadas al torneado se convirtieron también en máquinas de fresado y taladrado.

De hecho, las máquinas que fueron más efectivas coordinando torneado, fresado y taladrado todo en una sola sujeción se convirtieron en centros de corte de metal flexibles, de una sola parada, de múltiples operaciones. Con todo el mecanizado que podían hacer, habría sido lógico renombrarlos "centros de mecanizado", si ese nombre no hubiera sido tomado ya. Un torno alimentado por barra que tiene tanto capacidad de herramienta rotativa como un subhusillo opuesto al husillo principal puede alimentar materia prima por un extremo, y mecanizar todas las caras y características de una pieza elaborada sin que el operador tenga que intervenir. Además, puede seguir produciendo pieza tras pieza mientras dure la barra. Muchos talleres ahora mecanizan de esta manera. Un fabricante particularmente experimentado en mecanizar de esta forma es Jesel Valvetrain Innovation.

Jesel, con sede en Lakewood, Nueva Jersey, fabrica componentes de tren de válvulas adaptados a exigentes aplicaciones de coches de carreras. Componentes que podrían estamparse para un motor de coche normal se mecanizan en acero macizo en Jesel. Hace catorce años, la empresa fue usuaria temprana del torno CNC modelo DL-15 de Mori Seiki con capacidades de herramienta viva. A lo largo de los años, las máquinas han evolucionado y el taller ha continuado aprendiendo a aplicarlas más eficazmente. Ahora, el área de fabricación en esta planta incluye 11 máquinas torneado-fresado CNC, la mayoría de las cuales son modelos DL-150 —una versión más avanzada de la máquina que la planta comenzó a usar.

Una pieza que la empresa introdujo recientemente ilustra hasta dónde ha llegado el pensamiento de esta planta con respecto a estas máquinas. La pieza es algo así como un hito no solo para la planta misma, sino también para la evolución del mecanizado con torno de herramienta viva en general. La pieza, un seguidor de leva en cabeza, tiene una forma cuadrada vagamente sugerente de dos comas o dos orejas unidas. Originalmente, la planta asumió que esta pieza se mecanizaría en cinco configuraciones en centros de mecanizado. Dado el valor de la pieza y los volúmenes en que se ejecutaría, tal proceso podría justificarse fácilmente. Sin embargo, Ray Frattone Sr., director de fabricación de la empresa, sugirió un enfoque diferente. Parte del rol del Sr. Frattone es encontrar nuevas formas de fabricar las piezas del catálogo de la empresa de manera más rentable. Al hacerlo, ha trabajado extensamente con el equipo torneado-fresado. El seguidor de leva es lo suficientemente compacto para ser mecanizado a partir de barra maciza, se dio cuenta. Específicamente, podría mecanizarse en barra de aleación 4140 de 28,6 mm de diámetro. Alimentar este material a través del alimentador de barra LNS de la máquina Mori Seiki no solo permitiría mecanizar la pieza completa, sino que también permitiría mecanizar una serie de piezas sin atención.

El ingeniero de fabricación Mark Cubbedge trabajó en el proceso para esta pieza. Descubrió que, de hecho, había suficiente capacidad en las dos torretas de 12 posiciones del DL-150 para acomodar todas las herramientas de fresado y taladrado necesarias para mecanizar la pieza de esta manera. En resumen, había suficientes posiciones de herramienta para mecanizar la pieza completa. La configuración para esta pieza incluye una herramienta de corte para separar la pieza de la barra, pero aparte de eso, cada posición de herramienta usada para mecanizar esta pieza sostiene un husillo de herramienta rotativa.

El pensamiento de Jesel sobre tornos de herramienta viva ha hecho así un viaje completo. Estas máquinas ahora se usan y valoran en esta planta no como tornos con algo de capacidad extra, sino como centros de producción de una sola sujeción. Como ilustra la pieza seguidor de leva, esta máquina aporta valor al proceso incluso cuando la geometría de la pieza está tan lejos de redonda que esencialmente no se requiere trabajo de torno tradicional.

Compensaciones

Dos números de pieza de seguidor de leva se mecanizan en el DL-150. El mayor de los dos mide aproximadamente 19 x 20 x 63 mm. Excepto tratamiento térmico y bruñido, toda la fabricación se realiza en esta máquina, dentro de un ciclo que requiere menos de 10 minutos.

Tanto el husillo principal como el subhusillo trabajan simultáneamente durante este ciclo. El husillo principal sujeta la pieza para fresado de desbaste, fresado de acabado y taladrado. El subhusillo luego toma la pieza para completar el fresado de la forma y también realiza algún ranurado, todo mientras el husillo principal comienza a mecanizar la siguiente pieza. El uso del término "husillo" en estos contextos es algo inexacto, por supuesto, porque los husillos se usan como ejes rotativos en este proceso en lugar de girar la pieza para torneado. Dada la forma en que se usa la máquina, referirse al "plato principal" y "plato secundario" es más apto.

El software CAM de Gibbs and Associates suministra la trayectoria de herramienta. El Sr. Cubbedge dice que un plug-in de desbarbado de Gibbs ha resultado particularmente valioso. El software programa el movimiento preciso de una herramienta de bola de pequeño diámetro a lo largo de las esquinas afiladas de la pieza. En el plato secundario, este desbarbado también ayuda a mezclar el trabajo de la primera y segunda sujeción en superficies mecanizadas continuas y sin costuras. La efectividad de este desbarbado en máquina ha sido vital para generar una pieza lista para uso con poco esfuerzo adicional después del mecanizado.

Tanto el Sr. Frattone como el Sr. Cubbedge coinciden en que el mecanizado con torno de herramienta viva no es perfecto. Llevar la pieza de materia prima cerca de la finalización en una sola manipulación alimentada por barra puede parecer tremendamente eficiente, pero en realidad este tipo de máquina presenta compensaciones que deben reconciliarse. Aunque la máquina es lo suficientemente versátil que no tiene que limitarse a piezas torneadas para entregar valor, la máquina no es necesariamente adecuada para cualquier pieza que pueda caber dentro del envoltorio de la barra alimentada. Comparado con la opción de mecanizar la pieza en múltiples configuraciones en un centro de mecanizado, los desafíos que Jesel tuvo que enfrentar al ejecutar la pieza en un torno incluyeron todos los siguientes:

• Tiempo de preparación. El torno de herramienta viva del taller tiene un total de 24 posiciones de herramienta en sus dos torretas. Un centro de mecanizado vertical pequeño típicamente tendría más capacidad de herramientas en su almacén, y un centro de mecanizado horizontal de producción tendría considerablemente más. En centros de mecanizado, las herramientas pueden mantenerse en su lugar dentro de la máquina hasta que se necesiten. Por el contrario, en el torno de herramienta viva, el utillaje típicamente tiene que cambiarse completamente para cada nuevo número de pieza que el taller ejecuta. El cambio completo de herramientas es lo suficientemente consumidor de tiempo que las piezas generalmente necesitan ejecutarse en cantidades de cientos antes de que el tiempo de preparación pueda amortizarse. Esto no es problema en las piezas de seguidor de leva, porque Jesel tiende a ejecutar este número de pieza durante semanas para reponer su inventario. Sin embargo, el requisito de tiempo de preparación de herramientas impediría que esta misma pieza se ejecutara en base a lote pequeño o just-in-time, a menos que la máquina pudiera de alguna manera dejarse configurada y dedicada completamente a números de pieza en esta familia.
• Preocupaciones de sujeción. Otra ventaja que ayuda a Jesel a implementar procesos inusuales eficazmente es que su diseño y fabricación ocurren dentro de la misma instalación de 10.219 m². La coordinación entre fabricación y diseño fue esencial para hacer esta pieza eficientemente, porque el plato en el subhusillo necesitaba una forma segura sobre la que sujetar. La pieza fue rediseñada para esto. Incluso así, sin embargo, la fuerza de sujeción es limitada. La pieza parcialmente mecanizada es lo suficientemente flexible que una alta fuerza de sujeción con un plato podría afectar la precisión. En el subhusillo, por tanto, la pieza se sujeta en un plato de mordazas blandas a fuerza de sujeción moderada, y la agresividad de las operaciones de mecanizado se limita correspondientemente.
• Riesgo de chatter. Además de la fuerza de sujeción limitada, otro factor es aún más significativo limitando cuán agresivamente puede cortar el proceso. Las herramientas rotativas en este proceso invariablemente presentan voladizo largo, porque la herramienta necesita suficiente holgura para alcanzar más allá de las mordazas del plato. Estas herramientas de longitud extendida plantean un mayor riesgo de deflexión y chatter que limita la profundidad de corte, particularmente en una aplicación que mecaniza acero. Antes de que este proceso pudiera ponerse en producción, el personal de Jesel tuvo que probar y ajustar el proceso cuidadosamente para asegurar que los pases de mecanizado críticos no vibrasen de manera que comprometieran tolerancias ajustadas. Incluso así, algunas herramientas se desgastan más rápido que en un proceso más rígido, dice el Sr. Cubbedge. Una herramienta de fresado particular necesita cambiarse tras cada 10 piezas.

Beneficios

Aun así, las herramientas podrían desgastarse rápido en un proceso de centro de mecanizado también, dice. Un proceso que involucre centros de mecanizado también tendría que ajustarse hasta cierto punto para asegurar que se lograran precisiones críticas. El hecho de que Jesel se haya comprometido con el proceso en el torno de herramienta viva es testimonio suficiente de que estos desafíos pueden superarse. De hecho, estos obstáculos son minúsculos comparados con los riesgos que una serie de configuraciones en centros de mecanizado supondrían para mecanizar la misma pieza, dicen los empleados de Jesel.

Uno de esos riesgos es el error. Cada nueva manipulación proporciona riesgo de error relacionado con la configuración. En un proceso con cinco configuraciones, el valor añadido por cuatro operaciones de mecanizado precisas podría perderse todo si la quinta carga de la pieza era defectuosa de alguna manera que causara que la pieza se desechara. La máquina torneado-fresado evita este peligro eliminando la manipulación, con el proceso de una sola parada manteniendo todas las relaciones característica-a-característica todo el camino alrededor de la geometría de la pieza.

En otras palabras, para la pieza seguidor de leva, Jesel vivirá con el tiempo de preparación para cambiar herramientas, porque esto es más fácil de manejar que el tiempo de carga/descarga de llevar piezas de operación en operación en centros de mecanizado. El taller también aceptará la necesidad de evitar y gestionar chatter, porque esto es mucho mejor que el potencial de error impredecible y desecho dentro de un proceso que involucra muchas manipulaciones.

Finalmente, el personal de Jesel también vivirá con el hecho de que su máquina de torneado funciona durante días y semanas sin hacer mucho en cuanto a torneado. El taller continúa creciendo su comprensión de cómo usar las máquinas versátiles eficazmente, y la experiencia de ejecutar esta pieza de centro de mecanizado eficientemente en un torno de herramienta viva ha dado al taller una valiosa perspectiva. En el futuro, muchas piezas que presumiblemente son "trabajo de centro de mecanizado" se verán de manera diferente.