Thunderdome de Powill: Fijación Eficiente de 5 Ejes para 27 Piezas Contorneadas

Tiempo total de ciclo para completar el mecanizado de las 27 piezas contorneadas sujetas en esta fijación personalizada en una máquina de cinco ejes: seis horas. (Créditos: Powill Manufacturing and Engineering)

A veces hay que divertirse un poco en nuestro mundo a veces demasiado serio del mecanizado de precisión.

Un claro ejemplo: «Thunderdome».

Thunderdome es el nombre que recibe la fijación personalizada con forma de cúpula creada por Powill Manufacturing and Engineering, una de las numerosas fijaciones que ha fabricado desde que adquirió su primera máquina de cinco ejes en 2011 para aprovechar al máximo las mesas rotativas integrales de los ejes B y C de la máquina.

Inicialmente, el taller de Phoenix, Arizona, utilizó elevadores para levantar las piezas sujetas en prensas convencionales y mandriles de tres garras lejos de la superficie de la mesa del eje C de casi 20 pulgadas de diámetro, proporcionando al husillo y a la herramienta mejor acceso a esas piezas cuando estaban orientadas en ángulos extraños. Luego comenzó a usar dispositivos de sujeción comerciales diseñados específicamente para máquinas de cinco ejes, que se sujetan en pequeños perfiles de cola de milano mecanizados en la base de los bloques de trabajo. Estos dispositivos de cola de milano proporcionan fuerza de sujeción suficiente para desbaste pesado y amplio despeje alrededor de la pieza. El taller sigue usándolos hoy.

Sin embargo, en algunos casos, incluso esos dispositivos no son la sujeción más efectiva para la máquina de cinco ejes.

Powill comprendió el valor que ofrecen las fijaciones personalizadas diseñadas y fabricadas internamente para ciertos trabajos, principalmente aquellos que implican tolerancias de posición real y características ajustadas y/o grandes tamaños de lote. Para estos últimos, el taller intenta crear fijaciones que puedan sujetar múltiples piezas para maximizar el tiempo de actividad del husillo y el tiempo de mecanizado sin supervisión. Otras fijaciones personalizadas sujetan piezas altamente contorneadas o que no pueden sujetarse eficazmente con dispositivos convencionales. La dirección del taller considera que estas aplicaciones justifican el tiempo y coste necesarios para desarrollar estos dispositivos de sujeción únicos.

Powill ha fabricado una variedad de fijaciones personalizadas para su máquina de cinco ejes. Este artículo destaca dos. La primera es Thunderdome, que sujeta 27 piezas y se dedicó a un trabajo complejo de alto volumen. La segunda es una fijación de cuatro postes que sujeta cuatro piezas a la vez. Las interfaces de sujeción de cola de milano comunes maximizaron el retorno de inversión en esta fijación al hacerla útil para diferentes trabajos o familias de piezas.

La forma de cúpula de esta fijación permitió al taller sujetar las 27 piezas a la vez, así como proporcionar despeje para herramientas de corte y el husillo de la máquina.

Incursión en los Cinco Ejes

Powill —que presta servicios principalmente a las industrias aeroespacial comercial y militar— cuenta con máquinas CNC, incluyendo centros de mecanizado verticales (VMC), centros de mecanizado horizontales (HMC), un torno vertical (VTL) de mesa de 40 pulgadas, tornos multitarea y máquinas de rectificado, lapeado y taladrado profundo. Un alto porcentaje de su negocio es trabajo de taller por encargo, aunque tiene algunos contratos recurrentes.

Kevin Wolfe es el director general de la empresa. Wolfe dice que la razón principal por la que el taller añadió su NMV5000 de cinco ejes de DMG MORI fue reducir las preparaciones permitiendo que el husillo acceda a cinco caras de una pieza en una sola sujeción. Esto se conoce comúnmente como mecanizado 3+2. El taller también se sintió atraído por la capacidad completa de contorneado de cinco ejes, aunque solo una parte de las piezas que pasan por esa máquina requieren esa técnica.

Otra característica que atrajo al taller fue la rigidez del diseño de mesa en mesa de los ejes B y C del NMV5000. La máquina proporciona rotación del eje B de +160 a -180 grados y 360 grados de rotación del eje C, con una capacidad de carga máxima de 661 libras. También presenta un diseño más abierto que las mesas basculantes que soportan la mesa del eje C en dos ubicaciones, y las piezas pueden voltearse boca abajo para acceder a características cercanas a su base. En este caso, las virutas caen inofensivamente en lugar de ser recortadas, lo que puede reducir la vida de la herramienta y dañar el acabado superficial. La capacidad de posicionar piezas en ángulos extraños permite el uso de herramientas más cortas y rígidas que pueden realizar cortes más agresivos.

La máquina venía con un paquete de software CAD/CAM Esprit. Aunque aprender este nuevo software llevó tiempo, la simulación de programas de piezas ha demostrado ser valiosa. El software venía precargado con un modelo CAD de la máquina NMV5000 y todos sus componentes móviles principales. Para simular operaciones de mecanizado de un trabajo, los programadores CAD/CAM simplemente añaden modelos CAD de los dispositivos de sujeción y la pieza al modelo de la máquina. La simulación identifica posibles puntos de interferencia entre husillo, cortadores, fijaciones o piezas, para que esos problemas se corrijan antes de ejecutar el trabajo en la máquina.

Otra característica útil de programación de cinco ejes es el fresado compuesto de cinco ejes, que proporciona múltiples patrones de mecanizado y orientaciones del eje de la herramienta para controlar todos los ejes simultáneamente en piezas complejas. Los recorridos de herramienta ProfitMilling son particularmente útiles para el desbaste en Z de fondos cilíndricos, añade Wolfe. Esta estrategia está diseñada para mejorar la vida de la herramienta y el tiempo de ciclo optimizando los ángulos de engagement y la carga de viruta.

El software CAD/CAM que venía con la máquina de cinco ejes del taller estaba cargado con un modelo CAD de esa máquina específica. Los programadores pueden añadir fácilmente modelos CAD de fijaciones y piezas para realizar simulación del programa de pieza y asegurar que no habrá colisiones o interferencias con piezas orientadas en ángulos extraños.

Llegada a Thunderdome

Un trabajo con un tamaño de lote de 1.000 piezas complejas y contorneadas hechas de Inconel 625 llevó al taller a crear una fijación que pudiera acomodar 27 piezas de trabajo. De hecho, la fijación fue mecanizada en el NMV5000.

El taller intentó inicialmente colocar el mayor número posible de piezas en una fijación rectangular. El reto con este concepto de fijación prismática era proporcionar un despeje adecuado alrededor de cada pieza para todas las operaciones de contorneado de cinco ejes. (Una vez completada, la pieza no tiene lados rectos.) Desafortunadamente, este diseño preliminar solo podía sujetar un máximo de 10 piezas.

Wolfe pensó que una fijación con forma de cúpula podría acomodar más piezas. Disponerlas alrededor de un perfil esférico podría proporcionar acceso adecuado, permitiendo sujetar más a la vez. La fijación resultante se creó a partir de material de acero sobrante que el taller tenía a mano y se montó sobre un elevador rectangular. Alguien bromeó diciendo que parecía la arena Thunderdome de la película «Mad Max: Más allá de la cúpula del trueno», y el apodo se quedó.

Un reto fue determinar cómo sujetar mejor los bloques en esta fijación. Tenía sentido comenzar con barras redondas más cercanas a la forma neta de la pieza. Para ello, se mecanizan planos en cada bloque para permitir que los sujetadores accionados por leva de Mitee Bite los agarren. Se mecanizaron dos bolsillos para cada pieza, uno para el dispositivo de sujeción y otro para la barra redonda.

Hay otros retos en la creación de una fijación para sujetar múltiples piezas. Por ejemplo, las piezas deben estar lo suficientemente separadas y posicionadas de manera que proporcionen un despeje adecuado alrededor de cada una. Además, debe lograrse un equilibrio entre el número de piezas que sujetará la fijación y la rigidez general de la misma. Eliminar demasiado material para acomodar un gran número de piezas puede limitar tanto la rigidez como la agresividad (velocidad) con que se pueden mecanizar esas piezas.

Thunderdome se diseñó para sujetar piezas en dos filas. El desplazamiento de estas filas de bolsillos permitió colocar algunos bolsillos más en la fila inferior (15 piezas, frente a 12 en la superior). El tiempo total de ciclo para mecanizar las 27 piezas sujetas es de seis horas. Después, las piezas se montan en mordazas de prensa personalizadas en un VMC que mecaniza la cara inferior y avellana el lado posterior de un orificio pasante.

Esta fijación cuenta con cuatro postes con sus cimas inclinadas a 45 grados. Esto proporciona suficiente espacio y despeje alrededor de las piezas cuando se instalan en los sujetadores de cola de milano que coronan los postes.

Alternativamente, una fijación de cuatro postes que el taller creó presenta una base de aluminio con cuatro postes de acero, cada uno con una interfaz de cola de milano que hace que la fijación sea útil para una variedad de trabajos diferentes. Esta versatilidad ayudó a justificar el tiempo y coste de fabricar la fijación en primer lugar.

Sin embargo, el primer propósito de la fijación fue ayudar a comenzar lo más rápido posible en un trabajo particular: un bloque de combustible mecanizado a partir de un lingote de acero 1215 con cantidades de pedido de hasta 300 piezas. Este gran tamaño de lote fue la razón principal por la que el taller consideró una fijación personalizada que pudiera montar múltiples piezas a la vez.

La fijación debía ser lo suficientemente rígida para manejar el desbaste, pero aún proporcionar el despeje necesario para operaciones de grabado y taladrado de agujeros de ángulo compuesto hacia la parte inferior de la pieza. La parte superior de cada poste

fue mecanizada a un ángulo de 45 grados para extender las piezas hacia afuera y separarlas, proporcionando el despeje de herramienta necesario para acceder a las cinco caras de cada pieza. La capacidad de simulación y la función de evitación de colisiones del software CAD/CAM resultaron útiles para garantizar un despeje adecuado.

Los bloques de trabajo se preparan primero en un VMC, que mecaniza perfiles de cola de milano en la cara que requiere la menor cantidad de trabajo de mecanizado (o ninguno). Una vez que los bloques están asegurados en la fijación, el tiempo de ciclo para mecanizar los cuatro bloques de combustible (sin quitar el perfil de cola de milano y realizar mecanizado adicional en esa sexta cara) es de 2,5 horas. Para ciertas características, la mesa del eje B de la máquina se inclina 135 grados para alcanzar características cercanas a la parte inferior de las piezas. Los perfiles de cola de milano se fresan posteriormente en un HMC, que también mecaniza cuatro agujeros que intersectan los puertos creados en la máquina de cinco ejes. Completar esta pieza en uno de los HMC del taller habría requerido tres operaciones separadas y al menos una fijación personalizada. Powill ha usado posteriormente esta fijación para una variedad de otras piezas.

Antes de instalar este bloque de combustible en la fijación de cuatro postes en la máquina de cinco ejes, el perfil de cola de milano y la ranura de pasador asociada se mecanizan en un VMC. El taller afirma que esta configuración elimina el movimiento de la pieza, incluso durante operaciones de desbaste pesado. La ranura de pasador también ubica el bloque en la posición correcta en la fijación de cola de milano para repetibilidad. Estas características se fresan después de completar el trabajo en la máquina de cinco ejes (se muestra aquí a medio mecanizar).

Retorno al Pasado

Además de crear fijaciones personalizadas para nuevos trabajos, Powill ha usado su experiencia en sujeción para transferir trabajos mecanizados previamente en equipos de tres ejes a la máquina de cinco ejes. El taller también ha escrito programas para ejecutar otras piezas en la fijación flexible de cuatro postes. Consolidar múltiples preparaciones para producir piezas en una sola sujeción en la máquina de cinco ejes no solo reduce el tiempo de producción, sino que también mejora la precisión de la pieza. De hecho, Powill también usa su máquina de cinco ejes para crear fijaciones más precisas para sus equipos de tres ejes, porque puede mecanizar características críticas de localización de fijaciones en una sola preparación con mayor precisión.