Eleve el mecanizado multi-husillo CNC: Operaciones avanzadas y precisión

La tecnología CNC ha cambiado radicalmente la naturaleza del mecanizado en una máquina multi-husillo. El movimiento de los portaherramientas y carros de herramienta en cada estación de indexado son controlados por servomotores CNC bajo comando programado en lugar de por un sistema de levas mecánicas. Es posible realizar una gama de operaciones no de torneado como fresado, taladrado, roscado y hobbing en cada estación, además de todas las operaciones de torneado para las que estas máquinas son conocidas. Una amplia variedad de piezas pueden completarse en un solo paso en un multi-husillo CNC. Además, configuraciones y cambios se simplifican enormemente porque los movimientos de herramienta pueden reprogramarse en lugar de cambiarse produciendo e instalando un nuevo juego de levas.

Desarrollos innovadores en la línea TMZ de Mori-Say

Desarrollos innovadores en la línea TMZ de multi-husillos Mori-Say de ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) prometen llevar el CNC a un nuevo nivel en este tipo de máquina herramienta. Uno de estos desarrollos es un nuevo sistema de accionamiento que permite que la velocidad rotacional del eje C de cada husillo sea programada independientemente. Esta capacidad permite a los usuarios optimizar velocidades de husillo para operaciones de mecanizado específicas. Hace las operaciones CNC más flexibles y eficientes mientras simplifica aún más la configuración y cambio. Más importante, dicen los desarrolladores, nuevas clases de piezas ahora pueden producirse eficientemente y económicamente en un multi-husillo. El rango incluye piezas que a menudo se producen en máquinas torneado/fresado o celdas de producción multi-máquina. Piezas complejas que requieren una variedad de pasos de torneado y no-torneado de alta precisión pueden terminarse en un solo paso, y corridas de alto volumen no son necesarias para lograr esta operación económica.

Dos modelos distintos

Esta nueva generación de multi-husillos consiste en dos modelos distintos. El Mori-Say TMZ642, versión de seis husillos, fue introducido al mercado norteamericano en IMTS 2008 en Chicago el pasado septiembre. El Mori-Say TMZ867, versión de ocho husillos para piezas más grandes y cortes más pesados, será introducido en la Precision Machining Technology Show (PMTS) en Columbus, Ohio en abril de 2009.

Un concepto de accionamiento novedoso

El nuevo sistema de accionamiento incorporado en estas máquinas sigue un concepto de diseño inusual. Según Olaf Tessarzyk, socio gerente y presidente de ZPS America, es este sistema de accionamiento lo que distingue a estas máquinas de otros diseños multi-husillo. El sistema de accionamiento utiliza un eje compuesto para impulsar todos los husillos en el tambor rotativo, pero cada husillo puede configurarse para correr a una velocidad diferente. Las velocidades disponibles van de 2.000 a 6.000 rpm. El usuario puede elegir la velocidad más adecuada para las operaciones realizadas en cada estación, evitando así compromisos en rendimiento de herramienta de corte, acabado superficial o tiempo de ciclo general que resultan de aplicar una sola velocidad a cada husillo como dictan los diseños multi-husillo convencionales.

¿Cómo pueden múltiples husillos correr a diferentes velocidades con un solo eje?

Con solo un eje de accionamiento dispuesto desde la parte trasera de la máquina al frente, ¿cómo pueden múltiples husillos correr a diferentes velocidades, una hazaña no posible en otras máquinas comparables? El "eje" que impulsa los husillos es en realidad un ensamblaje de tubos telescópicos —un tubo para cada husillo, como se muestra en la ilustración a la derecha.

Los tubos son de longitud desigual —el más interno es el más largo y el más externo el más corto. En el lado del motor de la máquina, la diferencia de longitud de tubo a tubo es suficiente para que las poleas, correas y engranajes de cada juego de motores de accionamiento se unan sin interferir con el siguiente tubo. Así, cada tubo puede acoplarse a su propio sistema de accionamiento. Los motores de accionamiento son accionados por servo para que el husillo correspondiente rote a la velocidad establecida en el programa CNC para las operaciones realizadas. Los tubos son asimismo "escalonados" en longitud en el lado de corte de la máquina, donde el engranaje al final de cada tubo entrega movimiento rotacional a su husillo particular. Rodamientos dentro del ensamblaje de tubos permiten que todos los tubos roten con fricción mínima.

Beneficios técnicos

Desde un punto de vista técnico, se dice que este sistema de accionamiento tiene varios beneficios. Primordial es mantener el calor creado por el banco de motores de accionamiento lejos del tambor del husillo. Esto proporciona estabilidad térmica sin un sistema de enfriamiento elaborado. Además, este diseño asegura que los husillos siempre permanezcan conectados a sus respectivos motores de accionamiento sin requerir contactos complejos de suministro de energía que deban desconectarse o reconectarse al final de cada ciclo de indexado. Esto significa que el tambor no tiene que "desenrollarse" a su posición de origen para evitar enrollar cables de energía alrededor del eje de accionamiento dentro del tambor. De hecho, los tambores en estos nuevos modelos pueden rotar en cualquier dirección.

No un nombre familiar

La mayoría de usuarios de máquinas herramienta en Estados Unidos no están bien familiarizados con Mori-Say como marca de máquina herramienta. ZPS-America y su matriz, TAJMAC Group, también son probablemente desconocidos. TAJMAC (pronunciado TIE-mack) es un grupo multinacional de construcción, distribución y abastecimiento de máquinas herramienta con sede cerca de Milán, Italia. TAJMAC fue formado después de la Segunda Guerra Mundial por Amedeo Tajariol. Su hijo, Andrea, ahora lidera el equipo de gestión en la sede corporativa. El hijo de Andrea Tajariol, Michele, dirige la planta TAJMAC-ZPS en la República Checa.

ZPS (un acrónimo en checo que se traduce como "Plantas de Ingeniería de Precisión") es la principal planta de manufactura del grupo TAJMAC. Está ubicada no lejos de Zlin, una pequeña ciudad en el centro de la República Checa. Por años, ZPS ha producido varios tipos de máquinas herramienta para etiquetado privado por varias compañías conocidas de EE. UU. y Japón. Así, aunque ZPS podría ser desconocido, es probable que muchos clientes de EE. UU. estén familiarizados con estas máquinas bajo otro nombre de marca.

ZPS tiene una historia de construcción de máquinas herramienta que se remonta a principios de 1900s. La producción de equipos CNC comenzó en los 1980s. Después de la caída del Telón de Acero, ZPS sufrió varios cambios de propiedad. TAJMAC adquirió la compañía en 2000.

Parte del complejo ZPS incluye una de las fundiciones más modernas de Europa. Esta fundición produce fundiciones para las máquinas multi-husillo así como para muchos otros modelos ZPS y numerosos constructores externos de máquinas herramienta. Tener una fundición particularmente hábil en fundir fundiciones de máquinas herramienta es un activo clave para el grupo. Los nuevos multi-husillos son un ejemplo principal.

Específicamente, el diseño del bloque central, que contribuye significativamente a la rigidez y precisión de toda la estructura de la máquina, requiere una fundición bastante intrincada que pocas fundiciones podrían producir confiable y económicamente, dice Michele Tajariol. Esta fundición permite que el tambor, bloque central y acoplamiento del tambor se ensamblen en una configuración que permite que el tambor rote bajo potencia y asentar los engranajes y rodamientos. Estos componentes son mecanizados de acabado como un ensamblaje integral solo después de este período de rodaje. Esto incluye pasos finales en los agujeros del husillo, que se terminan en una gran máquina de mandrinar de alta precisión mientras el tambor con su acoplamiento Hirth está en posición en la fundición. Se dice que este enfoque logra centrado casi perfecto de los husillos. El resultado es posicionamiento altamente preciso a medida que los husillos indexan, permitiendo a las máquinas realizar mecanizado de alta precisión de piezas complejas.

ZPS ha producido multi-husillos desde los 1950s. La firma había planeado entrar al mercado de EE. UU. hace unos 20 años, pero estos esfuerzos nunca despegaron. Sin embargo, Tajmac-ZPS ha revivido recientemente planes para comercializar en Estados Unidos. ZPS-America, inicialmente formada a mediados de 2000, construyó un nuevo centro técnico en Indianápolis para albergar una sala de exposición, instalaciones de capacitación, inventario de repuestos y una organización de servicio. Este centro abrió el año pasado.

Máquinas que desafían la mente

El Sr. Tessarzyk cree que las máquinas multi-husillo con capacidad CNC extendida despertarán un replanteamiento de cómo esta clase de máquinas herramienta puede aplicarse, pero tienen que ser competitivas en costo y fiables. En su estimación, esto sería un ejercicio saludable para compañías de EE. UU., que tienen una fuerte tradición de ajustarse a nuevas ideas. Talleres rápidos para repensar procesos y prácticas para aprovechar nuevos desarrollos a menudo tienen un borde claro sobre competidores más lentos. Esta agilidad mental y ingenio mantienen a los mejores talleres y plantas en la delantera. Las nuevas máquinas Mori-Say probablemente desafiarán a los talleres una vez más para envolver sus mentes alrededor de nuevas posibilidades para producción eficiente de piezas.

El Sr. Tessarzyk dice que estas máquinas que desafían la mente atraerán a dos clases distintas de usuarios potenciales. Ambas serán desafiadas por estas máquinas. Una clase, obviamente, es la comunidad de usuarios actuales de multi-husillo. El desafío para ellos será comprender cómo piezas que requieren muchas operaciones no de torneado pueden completarse en una configuración en estas máquinas. La otra clase de usuarios potenciales consiste en talleres de producción que ahora están manufacturando este tipo de pieza en celdas multi-máquina, máquinas torneado/fresado o máquinas de transferencia rotativa. El desafío para estos talleres es considerar una máquina multi-husillo en primer lugar. Este tipo de máquina ha sido largamente pasado por alto porque se asume que las configuraciones son complicadas y consumen tiempo. El pensamiento convencional tiene a los multi-husillos clavados para altos volúmenes de piezas torneadas.

Nuevas estrategias son posibles

Perfiles de algunos primeros adoptantes del Mori-Say TMZ642 CNC muestran cómo estas máquinas pueden cambiar estrategias de producción para mejor. Uno es un fabricante de accesorios de soldadura que cambió producción de multi-husillos mecánicos y máquinas torneado/fresado de alta gama. El otro es una casa de tornos automáticos tradicional que se ha ramificado en piezas más complejas en materiales difíciles de mecanizar.

Trafimet: De multi-husillo mecánico a CNC

Trafimet es una firma italiana que hace antorchas, conectores de fuente de poder, puntas consumibles y otros suministros relacionados con soldadura vendidos alrededor del mundo. Su fábrica principal está en Vincenza, aproximadamente a una hora en auto al norte de Milán. Esta planta produce millones de piezas al año, la mayoría de las cuales son conectores, enchufes, adaptadores y puntas de antorcha hechos de cobre o latón.

Por años, la compañía confió en dos tipos contrastantes de máquinas herramienta para cumplir sus metas de producción. En un lado estaban las máquinas multi-husillo —dos multi-husillos mecánicos de ocho husillos y cuatro multi-husillos mecánicos de seis husillos, todos dedicados a producción de piezas complejas en grandes corridas de producción. En el otro lado estaban varios tornos de un husillo, tres torretas, torneado/fresado, usados para piezas menos complejas hechas en corridas más cortas.

En 2006, la demanda de enchufes y clavijas de fuente de poder de la compañía aumentó sustancialmente. Sus ingenieros inicialmente consideraron un torno automático de ocho husillos para producción de enchufes, pero les preocupó la capacidad de cambiar rápido de pieza a pieza y decidieron considerar una máquina multi-husillo CNC. Todas las multi-husillos mecánicas de la compañía habían sido provistas por ZPS, así que fue natural considerar el TMZ642 de este constructor, que acababa de ser introducido en Europa. Parecía ser una máquina apropiada para manejar una mezcla diversa de productos en corridas de 10.000 a 50.000 piezas.

"TAJMAC nos ayudó a pensar diferente sobre nuestros procesos, y así, alcanzar mejores resultados", dice Ugo Simioni, ingeniero industrial en Trafimet. Por ejemplo, la independencia de cada husillo hace posible realizar muchos tipos de mecanizado, incluyendo operaciones que requieren parada de husillo o husillo de eje C orientado independientemente. "Esto hace la máquina un centro de torneado y fresado real y completo", dice el Sr. Simioni.

"En tiempos duros, encontramos que podemos mover algunos productos al multi-husillo TMZ y manejar tamaños de lote más bajos mientras reducimos tiempos de ciclo por pieza", dice el Sr. Simioni. "Una de nuestras piezas corría en un torneado/fresado de un husillo con tiempo de ciclo de aproximadamente 1 minuto. Con un poco de planificación, encontramos que podíamos hacer la misma pieza económicamente en lotes de 5.000 —tiempos de ciclo de 12 segundos— con tres cambios por semana en la nueva máquina." Los ingenieros de Trafimet ya habían determinado que un tiempo de ciclo de 15 segundos permitiría producir lotes de 10.000 a 20.000 piezas económicamente. "Los accionamientos de husillo independientes y sistema de accionamiento avanzado, el uso de ejes extra y otras mejoras hacen la máquina extremadamente versátil, y nos ha permitido encontrar nuevas formas de reducir costos de producto", señala.

BRB: Transición a piezas complejas de alta precisión

BRB, ubicada cerca de Bérgamo, Italia, es un buen ejemplo de un taller de tornos automáticos tradicional transitando a piezas complejas de alta precisión hechas de materiales difíciles de mecanizar. Este taller adquirió su primer Mori-Say TMZ642 en septiembre de 2008.

Tener esta máquina en lugar ha permitido al taller ganar pedidos para una manga hidráulica compleja en acero inoxidable. La pieza requiere taladrar varios agujeros transversales de diámetro pequeño en diferentes ángulos a la línea central de la pieza. Porque la tolerancia en estos agujeros transversales angulados es ajustada, la rigidez de la máquina es especialmente importante.

Otra característica crítica es la capacidad de cada husillo para sujetar la pieza de forma segura para operaciones efectivas de mecanizado de alto par en el acero inoxidable. Por ejemplo, una herramienta de fresado de tres puntas se usa para formar ranuras en un extremo de la pieza. Típicamente, tales características se producirían con una sierra circular. Sin embargo, ninguna sierra podía manejar el acero inoxidable a las velocidades de corte necesarias para cumplir requisitos de tiempo de ciclo. De hecho, los tiempos de ciclo en estas piezas son tan cortos que la compañía desarrolló una estación de gauging especial para que los operadores pudieran realizar muestreo adecuado de piezas y documentar los altos números Cpk especificados para esta pieza.

BRB ve su futuro atado a producir piezas como esta. Porque estas piezas no se producen típicamente en máquinas multi-husillo, el taller cree que puede ser altamente competitivo con compañías que buscan producir este tipo de pieza en tornos CNC.

Una oportunidad histórica

Talleres de trabajo y casas de producción pueden estar enfrentando un escenario notable. Costos de producción crecientes y otros factores están haciendo menos favorable obtener muchos componentes de fábricas offshore. Los compradores buscarán productores capaces en casa que puedan aprovechar nueva tecnología, logística más simple, costos de transporte más bajos y mejor comunicación para llenar este vacío. Sin embargo, aún necesitarán acercarse al "precio China" para seguir siendo competitivos en sus mercados globales.

El Sr. Tessarzyk cree que esta situación en desarrollo presenta una oportunidad notable para compañías rápidas en adoptar nuevos desarrollos de mecanizado. Por supuesto, las estrategias de procesamiento de piezas que tiene en mente aprovechan la flexibilidad y capacidad de sus multi-husillos, pero esto es solo un ejemplo de un cambio en tecnología que llama a un cambio en perspectiva y pensamiento. Los talleres de tornos automáticos tendrán que convertirse en proveedores de producción CNC en corridas cortas con tiempos de respuesta cortos. Del mismo modo, los talleres CNC tendrán que transicionar de una dependencia en máquinas simples que hacen maniobras de corte complejas a máquinas más complejas que obtienen lo máximo de movimientos simples.

Modelo de ocho husillos para piezas grandes y duras

Aunque el Mori-Say TMZ867 está haciendo su debut norteamericano en PMTS (28-30 abril 2009, www.pmts.com), un modelo ya está en exhibición en la sala de exposición TAJMAC-ZPS en el área de Milán, Italia. Esta máquina se usa para demostraciones y para probar piezas de clientes. Una pieza probada recientemente ejemplifica las capacidades de esta máquina y refuerza el punto de que las aplicaciones para procesamiento multi-husillo se mueven en una nueva dirección.

La pieza es un componente de columna de dirección de acero inoxidable. El alto contenido de níquel y cromo del material de pieza requiere alto par en el husillo. La pieza se producía anteriormente en un torno tipo suizo pesado (cabezal deslizante). En esta máquina "de punto único", el tiempo de ciclo era 60 segundos. En el multi-husillo, es 16 segundos. Ambos tipos de máquinas completan la pieza en un solo paso. Según el Sr. Tessarzyk, el multi-husillo es tan preciso como el torno tipo suizo.

Esta es una pieza inusualmente grande para producción en multi-husillo. El TMZ867, sin embargo, puede acomodar barra de hasta 72 mm de diámetro y operar como torno de plato de cara abierta. Características estándar incluyen ocho husillos horizontales CNC independientes accionados por CA; ocho carros compuestos independientes (X y Z); ocho portaherramientas independientes con ocho herramientas accionadas a 12.000 rpm; cinco herramientas de retrabajo (tres accionadas); y una gama de utillaje VDI preajustable estándar.

El sistema de accionamiento sigue los mismos principios pioneros en su hermano menor de seis husillos, el TMZ642. Cada uno de los ocho husillos de la máquina está vinculado por un eje compuesto a su propio motor dentro del tambor del husillo, que emplea un acoplamiento Hirth preciso. Esto hace innecesario el re-indexado inverso del tambor al final de cada ciclo de 360 grados; conectar y desconectar los motores a los husillos con cada indexado; o enfriar el tambor para disipar el calor generado por los motores del husillo.