Manufactura torno-fresadora: Mecanice cinco caras en una sola configuración

LeanWerks desarrolló un proceso combinando tecnología de herramienta de corte, sujeción de pieza y sondado de pieza para permitir que su torno-fresadora mecanice cinco caras de esta pieza de fundición de inversión en una sola configuración. Créditos de foto: LeanWerks

Hace algunos años, las condiciones de negocio decrecientes en el campo petrolero impulsaron a LeanWerks de Ogden, Utah a buscar trabajo en otras industrias (incluyendo aeroespacial y automatización de alta velocidad) para establecer una base de clientes más equilibrada y flujo de trabajo más estable. El taller de contratación, ahora registrado al estándar aeroespacial AS9100C, también comenzó a adaptar parte de su capacidad de mecanizado existente para adaptarse mejor a los trabajos de mecanizado que encontraría dentro de esas nuevas industrias.

Reid Leland, presidente y cofundador de la compañía, señala un ejemplo: una fundición de inversión de aluminio para una carcasa de filtro de combustible de motor a reacción. Para cuando LeanWerks fue introducido a este trabajo, su cliente fundición aeroespacial estaba casi un año atrás en el cronograma de entrega porque su proceso de mecanizado interno, por lo tanto, tasa de producción, era lento. Como resultado, su cliente —el OEM del motor a reacción sobre el cual se instala esta carcasa— estaba perdiendo la paciencia, y el retraso causado por los retrasos con este trabajo estaba decepcionando a otros clientes. Por lo tanto, en un esfuerzo por aliviar algo de carga en sus recursos de mecanizado internos, la fundición contactó a LeanWerks para considerar asumir el mecanizado de esas fundiciones.

Aunque muchos ingenieros especifican fundiciones de inversión para sus diseños de piezas porque ofrecen intrincada forma con buena precisión dimensional relativa a otros procesos de fundición, esos componentes aún requieren mecanizado para lograr ajuste y función precisos en ensambles de alto rendimiento. Sin embargo, la variabilidad de estos tipos de piezas tal como se funden y sus requisitos de sujeción asociados y complicados causan que algunos talleres eviten asumir este tipo de trabajo de mecanizado.

Por ejemplo, la carcasa del filtro de combustible requiere múltiples operaciones de mecanizado, incluyendo fresado de agujero profundo, mandrinado, faceado, taladrado, roscado, ranurado de diámetro interior y contorneado 3D. Originalmente, LeanWerks pensó que podría completar el trabajo usando varias configuraciones en una fresadora de tres ejes y una configuración en un centro de torneado. Finalmente decidió que esta no era la mejor estrategia, porque las tolerancias de posición ajustadas de la pieza con un esquema de datum complicado no serían alcanzables debido a las múltiples configuraciones.

En su lugar, LeanWerks consideró cómo podría aprovechar la capacidad de fresado de su Mazak Integrex i200S torno-fresadora para minimizar el número de veces que la pieza es tocada durante el mecanizado. El taller usó principalmente esta máquina para producir insertos de válvula de tapón cónico para operaciones de bombeo de alta presión en la industria de petróleo y gas, como las requeridas para fracturación hidráulica y aplicaciones de tubería enrollada. El Integrex era adecuado para la pieza de inserto de válvula porque podía tanto tornear el diámetro exterior cónico de la pieza como fresar sus barrenos de flujo de eje transversal. La máquina también podía fresar el O-ring asociado del barreno, que requería una operación de contorneado de cinco ejes debido a la superficie cónica del barreno.

Dicho esto, mecanizar la pieza de carcasa de filtro de combustible en el torno-fresadora, un trabajo que no requería torneado, presentó una variedad de desafíos. Por ejemplo, el aluminio de grado aeronáutico A356.0 tiene alto contenido de sílice y puede ser duro con las herramientas de corte. Además, la geometría de la pieza tiene múltiples características en múltiples ángulos en todas las caras (incluyendo un racor crítico dentro del fondo de la fundición de 13 pulgadas de profundidad) y áreas de pared delgada crean problemas de vibración durante el mecanizado. Además, la pieza con estructura de datum compleja requiere tolerancias ajustadas, incluyendo tolerancia de posición verdadera de 0,25 mm en algunas características ampliamente separadas, y tolerancias de tamaño de ±0,01 mm y tolerancias de posición verdadera de 0,05 mm para otras características menos separadas.

Como resultado, LeanWerks esencialmente tomó tres pasos para permitir que su torno-fresadora mecanice efectivamente cinco caras de la fundición de inversión en una sola configuración. El primer paso fue diseñar un dispositivo para sostener la fundición para permitir que el mecanizado se realice en cinco lados de la pieza. Un componente clave de este diseño de dispositivo es una cuna que engancha el cuerpo principal de la fundición mientras ofrece acceso a características entre y junto a las patas de la cuna. Para asegurar la fundición a la cuna, se instaló un mecanismo de cadena y polea entre las patas de la cuna para proporcionar una fuerza de sujeción distribuida uniformemente.

Debido a que el torno-fresadora no ofrecía suficiente recorrido en eje Y para alcanzar todas las características, se incorporó un deslizador de cola de milano Setco en el dispositivo para permitir que la cuna y la pieza se deslicen y re-sujeten en una posición accesible sin volver a fijar completamente la pieza. Para asegurar rigidez, la cuna se montó y reforzó a una placa base de acero con pasadores y soldaduras. Esa placa base se monta al sillín del deslizador de cola de milano, y la base del deslizador se monta a las mordazas maestras en el portabrocas de tres mordazas existente de la máquina.

Debido al tamaño de esta pieza, el recorrido en eje Y del torno-fresadora no permite que su husillo alcance todas las áreas de la pieza a mecanizar. Para mitigar esto, el dispositivo que LeanWerks desarrolló usa un deslizador de cola de milano para permitir que la pieza fijada se deslice y re-sujeté en una posición accesible. Rutinas de sondado subsiguientes determinan la posición verdadera de la pieza reposicionada.

Luego, el taller integró un sistema de sondado de tacto-disparo. El sondado fue necesario porque la forma de cada pieza tal como se funde varía ligeramente, y el dispositivo deslizante usado para mitigar el problema de recorrido en eje Y cambia la ubicación de la pieza. El sondado permitió que la nueva posición de la pieza después del desplazamiento se definiera precisamente, y las trayectorias de herramienta subsiguientes se ajustaran mejor a la ubicación real de la pieza.

De hecho, el taller se dio cuenta de que necesitaba una sonda de longitud estándar así como una sonda de alcance extendido para acceder a características ubicadas profundo dentro de la pieza. Porque el torno-fresadora solo tenía un canal de sondado, LeanWerks retrofit la máquina con un receptor de radio Renishaw RMI-Q e instaló una tarjeta de controlador lógico programable (PLC) en el panel de control principal de la máquina para manejar una segunda señal de sonda. La sonda corta usa un estilete de 25 mm de largo, mientras que la sonda larga usa un estilete de 50 mm de largo montado en una extensión de 200 mm. Ambas usan un cuerpo de sonda Renishaw RMP-60.

Las rutinas de sondado fueron programadas usando el software Inspection Plus de Renishaw, y el código resultante se agregó al programa de la máquina en las ubicaciones apropiadas. La rutina de sondado inicial mide puntos en el puerto inferior dentro de la carcasa y la abertura al frente de la carcasa para definir el eje central de la pieza. Otras características que se sondan incluyen uno de los puertos pequeños cerca de la cara para definir la orientación rotacional de la pieza y una pared dentro del brida lateral principal para definir la ubicación del eje Z de la pieza. El módulo de software de compensación de error de posición de trabajo (WPEC) de Mazak permite que las desviaciones detectadas a través de cálculos de posición verdadera derivados de la rutina de sondado inicial se muevan con la pieza a través de movimientos de indexado de husillo. Después de las rutinas de sondado iniciales, se realiza sondado adicional para confirmar la ubicación de características relacionadas y superficies post-mecanizadas.

Para sondear características profundas dentro de la carcasa, LeanWerks usa un estilete de 50 mm de largo montado en una extensión de 200 mm.

Finalmente, las operaciones de mecanizado de alcance profundo requeridas para esta pieza y el material de aluminio abrasivo llevaron al taller a emplear tecnología avanzada de herramienta de corte. Para este trabajo, el taller usa el sistema de sujeción de herramientas Rego-Fix powRgrip. Una alternativa al ajuste por contracción, el powRgrip es un sistema mecánico de ajuste a presión que consiste en un portaherramientas, pinza de precisión y unidad de sujeción hidráulica de banco compacta usada para insertar la pinza y la herramienta en el portaherramientas. Según Rego-Fix, el sistema es capaz de generar altas fuerzas de sujeción mientras mantiene una lectura total de indicador de menos de 0,0001 pulgada. La rigidez de este sistema mejora la vida de la herramienta y la precisión de corte.

Las herramientas de corte usadas para este trabajo deben tener ángulos de ataque positivos altos y correrse a velocidades muy altas con profundidades de corte ligeras. Se usan fresas de extremo Garr Alumistar así como una pequeña fresa de cara con insertos sin recubrir, altamente pulidos, de ataque positivo alto.

LeanWerks también preajusta herramientas para este trabajo usando un preajustador Speroni STP Magis 400 disponible de Big Kaiser. El preajustador no solo permite el ajuste externo de herramientas, sino que, más importante, ayuda en la calificación y solución de problemas porque facilita la inspección del filo de corte, validación de la forma de herramientas de forma y medición de runout.

Punto de inflexión

El proceso que LeanWerks desarrolló para mecanizar este trabajo de fundición de inversión en su torno-fresadora mejoró la tasa de producción de 10 horas por pieza a menos de dos horas por pieza. Como resultado, el taller continúa considerando otras formas en que puede maximizar las capacidades de su capacidad existente de maneras similares mientras busca trabajo en varias industrias nuevas.