Mecanizado de 5 ejes: 10 elementos clave de automatización para precisión

La automatización es aparente incluso para el ojo no entrenado al observar la nueva máquina de 5 ejes de Phoenix Proto con piscina de palets de 6 estaciones y sistema de carga de palets (lo mismo ocurre para una de sus máquinas de 3 ejes similarmente equipadas). Dicho esto, hay otros elementos de automatización, quizás más sutiles, que comprenden el proceso de 5 ejes del taller. De hecho, son estos elementos los que permiten que el proceso logre repetidamente las tolerancias y acabados superficiales requeridos para los componentes de moldes de aluminio del taller, mientras, con intervención humana mínima o nula, se ajusta a las variables inherentes que pueden afectar adversamente la precisión y el rendimiento del mecanizado.

Este punto sobre el rendimiento es importante, porque el objetivo del taller de Centreville, Michigan, es proporcionar moldes de aluminio ensamblados a los clientes en tres semanas, por lo que el rápido cambio de componentes de herramientas mecanizados de calidad es imperativo.

Bob Lammon, presidente de la empresa, dice que el aluminio continúa siendo comúnmente usado para fabricar herramientas de prototipo y "puente" (moldes usados temporalmente para permitir a una empresa comenzar el moldeo por inyección de piezas plásticas para nuevos productos mientras espera que el tooling de producción de acero se complete). Sin embargo, está viendo un interés creciente en moldes de aluminio usados para producción en lugar de los tradicionales de acero.

"Dependiendo de la geometría de la pieza moldeada por inyección y la resina, es posible obtener 50 000 ciclos de un molde de aluminio sin recubrimiento", explica el Sr. Lammon. "En algunos casos, esto podría ser suficiente para soportar necesidades de producción. Sin embargo, al endurecer moldes de aluminio a 54 HRC mediante tecnología como el proceso de recubrimiento de níquel duro Nibore que usamos, es posible obtener 1 millón o más ciclos para una resina no abrasiva, y quizás 250 000 para una resina abrasiva reforzada con vidrio."

Las aplicaciones para los moldes que el taller produce son amplias, incluyendo piezas para electrodomésticos, automotriz, consumo, médico y armas de fuego. Esto lleva a una alta mezcla de tamaños, características y geometrías de moldes que el área de mecanizado debe acomodar en poco tiempo. El Sr. Lammon dice que la solución natural parecía ser automatizar un proceso de mecanizado de 5 ejes de alta velocidad para lograr largos tramos de producción desatendida/sin luces para los componentes de moldes más complejos. Esto lo está logrando, como aprendí durante una visita reciente al taller de Michigan.

Adiciones de automatización

Phoenix Proto tiene tres máquinas de alta velocidad y tres máquinas CNC convencionales. El primer centro de mecanizado automatizado que el taller agregó fue un Roeders RXP500 de 3 ejes comprado en 2012. Esta máquina de motor lineal de 42 000 rpm cuenta con un sistema de cambio de palets RCE 1 con una piscina de palets de 6 estaciones. Ahora se usa principalmente para mecanizar componentes como bases de molde y bloques de cavidad.

Hoy, casi todo el mecanizado de cavidades y núcleos de molde se realiza en el nuevo Roeders RXP601DSH de 5 ejes con sistema de cambio de palets RCE 2 más grande. Esta, la primera y (al menos por ahora) única máquina de 5 ejes del taller, se instaló a principios de 2016. Como el Roeders de 3 ejes de alta velocidad, también tiene un husillo de 42 000 rpm y accionamientos de motor lineal con resolución de 1 nanómetro. Los motores lineales son clave para movimiento rápido, permitiendo tasas de avance rápido de 2362 ipm. También ofrecen menos fricción que los husillos de bolas, lo que lleva a menor consumo de energía.

La máquina de 5 ejes con envolvente de mecanizado de 21,3 por 25 por 15,7 pulgadas y peso máximo de pieza de 440 libras presenta un diseño de tipo bancada giratoria con giro en eje A de hasta ±115 grados. El otro movimiento rotatorio es proporcionado por el plato del eje C en la bancada giratoria. Según Matt Byers, presidente de Roeders of America, el diseño de bancada giratoria en el que el husillo no proporciona movimiento de eje rotatorio tiende a ser más rígido que plataformas alternativas de máquinas de 5 ejes para permitir cortes pesados. Además, el bajo centro de gravedad para la pieza mantiene las fuerzas de inercia bajas para mitigar cualquier efecto de vuelco o inclinación durante movimiento de alta velocidad.

El Sr. Byers también cree que la tecnología de control propietaria de la máquina ofrece ventajas para el tipo de fresado de alta velocidad que Phoenix Proto realiza. Dos parámetros importantes para facilitar el fresado de alta velocidad efectivo son lookahead y velocidad de procesamiento de bloques. El CNC RMS6 basado en PC de la máquina ofrece lookahead de 10 000 bloques y velocidad de procesamiento de bloques de 0,1 milisegundos.

El alto rendimiento posible por los rápidos tiempos de ciclo de la máquina usando técnicas de mecanizado de alta velocidad es complementado por todos los elementos de automatización incorporados en este proceso. Aquí hay 10 elementos de automatización que noté durante mi visita:

1. Sistema de carga y piscina de palets

El sistema automático de cambio de palets RCE 2 de la máquina de 5 ejes tiene una piscina de palets de 6 estaciones, aunque el taller a veces fija más de una pieza en un palet. Cada palet mide 23,6 por 15,7 pulgadas.

Por solicitud de Phoenix Proto, el agarre del sistema de carga fue modificado. Originalmente, no podía haber voladizo de pieza fuera de los bordes del palet. Al modificar el agarre para que recoja desde la parte inferior del palet, el sistema ahora puede cargar piezas de trabajo más grandes. Ahora, el tamaño de la pieza está limitado solo por la capacidad de la máquina, no por el cargador.

El taller usa el software de gestión de trabajos de Roeders para programar y gestionar trabajos. Intenta programar los largos para que corran de noche y fines de semana, actualmente corriendo un turno de 12 horas cinco días por semana. Alternativamente, intenta asegurar que haya suficientes trabajos de corta duración configurados para permitir que la máquina permanezca ocupada por su cuenta.

2. Máquina

El mecanizado de 5 ejes es en sí una forma de automatización. Hay dos tipos de procesos de 5 ejes: contorneo y posicionamiento (también conocido como "3+2"). Phoenix Proto realiza posicionamiento 3+2 en esta máquina el 75 por ciento del tiempo. Para esto, la máquina usa sus dos ejes rotatorios adicionales solo para inclinar angularmente la pieza y luego la bloquea en esa posición. Después de eso, realiza lo que equivale a una operación de 3 ejes en esa orientación. Una ventaja es que esto ofrece acceso de la herramienta a cinco lados de una pieza en una sola sujeción. Esto minimiza el número de configuraciones, el número de máquinas por las que una pieza podría tener que correr y, por lo tanto, el número de veces que una pieza es "tocada" durante la producción (es decir, es "automatización").

La capacidad de inclinación de pieza vía 3+2 también permite a las herramientas llegar lejos dentro de las piezas para crear características de molde difíciles como nervaduras profundas. En algunos casos, esto ha eliminado operaciones secundarias de EDM de hundimiento y la necesidad asociada de mecanizar electrodos. Además, los portaherramientas de ajuste por contracción usados tienen diámetros más pequeños que diseños tipo collet para proporcionar espacio adicional.

Con 3+2, el taller también puede usar cortadores más cortos y rígidos. Cortes más rápidos y agresivos pueden hacerse usando herramientas más cortas sin tanto riesgo de vibración o chatter que puede ocurrir si se requieren herramientas más largas. La vibración y el chatter pueden llevar a malos acabados superficiales, que en el caso de Phoenix Proto requerirían más trabajo manual de banco para componentes de molde o incluso trabajo secundario de EDM para lograr acabados de calidad, extendiendo el tiempo total de producción. El taller también puede realizar vida de herramienta mejorada para fresas de bola, porque cuando las piezas se inclinan en diferentes ángulos, más del radio de la herramienta puede usarse, no solo la punta. Mecanizar en otras áreas del radio y no la punta (el punto donde la velocidad rotacional es cero) también lleva a mejores acabados superficiales.

3. Sondeo táctil

Después de que una nueva pieza se carga en la máquina, una rutina automática de sondeo con sonda táctil identifica la ubicación de varios puntos en la pieza o dispositivo de sujeción para establecer la ubicación exacta de la pieza en la máquina. El CNC de la máquina luego ajusta automáticamente el sistema de coordenadas de trabajo nativo para que coincida. Esto elimina el calce manual, empuje de pieza y otras tareas que consumen tiempo que de otra manera se requerirían para nivelar y alinear la pieza para que coincida perfectamente con el sistema de coordenadas de la máquina.

4. Ciclo de calibración automático

La máquina de 5 ejes tiene varios canales de refrigeración en su base, rieles, carros, etc., para que esos componentes no se expandan debido a fuentes internas de calor. Sin embargo, para adaptarse a fluctuaciones en la temperatura ambiente dentro de un taller (digamos desde el comienzo de un día hasta el final del día), se puede realizar un ciclo de calibración automático usando la sonda táctil.

El ciclo de calibración de Roeders se lleva a cabo de manera diferente a la mayoría de los procesos de otros fabricantes de máquinas herramienta, explica el Sr. Byers. Dice que esos ciclos típicamente requieren que el palet actualmente cargado en la máquina sea removido y reemplazado con otro palet que tenga una bola de herramienta. Esta bola es luego sondeada para determinar cuánto cambio en su ubicación ha ocurrido debido a cambios en la temperatura ambiente del taller. Por el contrario, el ciclo de Roeders no requiere que el palet existente con la pieza sea removido. La máquina tiene prismas rectificados de precisión en su fundición de brazo de bancada giratoria y fundición de motor del eje C que son sondeados para determinar cualquier cambio de posición y, si es necesario, compensar automáticamente esos cambios. Phoenix Proto realiza esta rutina de calibración una vez al mes a menos que se note un problema y a veces la realiza antes de un pase de acabado crítico.

5. Compensación de crecimiento del husillo

El Sr. Byers dice que algunos fabricantes de máquinas herramienta crean algoritmos para cada máquina antes de enviar a un cliente para aproximar cuánto se expandirá su husillo a diferentes velocidades y tiempos de ejecución. Sin embargo, señala que es esencialmente imposible tener en cuenta todas las diversas formas en que el cliente podría usar la máquina de un día para otro. La máquina de 5 ejes de Phoenix Proto tiene un sistema opcional de compensación automática del husillo para adaptarse a la expansión (o contracción) del husillo en tiempo real. El sistema usa un sensor sin contacto unido a un brazo en forma de L posicionado cerca de la cara del husillo (ver la foto en la presentación de diapositivas arriba). El sensor con resolución de nanómetro detecta cuánto se expande o contrae el husillo durante la operación y retroalimenta esa información al CNC para ajustar el eje Z hacia arriba o hacia abajo para compensar. Esto es especialmente importante para operaciones de 5 ejes, porque cuando una pieza está inclinada, el crecimiento del husillo podría afectar la ubicación de la punta de la herramienta en los tres ejes lineales, no solo en Z. La compensación automática ayuda a asegurar buenos y consistentes acabados superficiales y transiciones.

6. Ajuste de herramientas láser en máquina

Después de cada cambio de herramienta, la longitud y el diámetro de la nueva herramienta se miden automáticamente usando la sonda láser de ajuste de herramientas en máquina Blum. (La sonda láser así como la bola de herramienta de calibración de la sonda táctil están ubicadas fuera del área de mecanizado en el cambiador de herramientas para que estén protegidas contra virutas y refrigerante.) El taller especifica una banda de tolerancia para el diámetro de cada herramienta. Si la sonda detecta que el diámetro de una herramienta está fuera de tolerancia, no permitirá que se realice mecanizado usando esa herramienta. Por ejemplo, si una fresa de bola de 0,250 pulgadas mide ±0,0002 demasiado grande o demasiado pequeña, no se usará. Esto se aplica a la longitud del cortador también.

Antes de esto, el láser determina si la herramienta que se está cambiando se ha roto. Si la herramienta está rota, pero está programada para usarse en trabajos subsiguientes en cola en la piscina de palets, no detendrá la producción en esos trabajos. "Por ejemplo, si la herramienta en posición ATC cinco se encuentra rota, la máquina removerá la pieza en la que esa herramienta se rompió, cargará el siguiente trabajo programado y correrá ese trabajo hasta que alcance la etapa donde se usaría la herramienta en la estación cinco", explica el hijo del Sr. Lammon, Scott, director de operaciones de la empresa y uno de los dos que programan y configuran la máquina de 5 ejes. "Luego, la máquina removería esa pieza y pasaría al siguiente trabajo en la cola. Este proceso continuaría para cada trabajo cargado."

7. Ajuste de boquilla de refrigerante

En lugar de usar solo boquillas de refrigerante flexibles convencionales que deben posicionarse manualmente, la máquina de 5 ejes tiene un sistema de suministro de refrigerante que ajusta automáticamente la dirección del chorro de refrigerante al punto de corte, sin importar cuán larga sea la herramienta. La dirección de las boquillas se ajusta vía un código M basado en la longitud conocida de la siguiente herramienta instalada en el husillo.

8. Función de programación de auto-inclinación

Chris Claar es el gerente de ingeniería de Phoenix Proto quien también programa y configura la máquina de 5 ejes. Dice que en 2010, el taller realizó un estudio de tiempo comparando su software CAD/CAM anterior con el software Cimatron. "Cambiamos a Cimatron después de que nuestro estudio mostró un ahorro del 30 por ciento en tiempo de programación comparado con el otro software", explica el Sr. Claar. "Una característica de ahorro de tiempo que apreciamos es la función de auto-inclinación de 5 ejes. Porque tenemos todos los componentes de la máquina, así como pieza, sujeción y herramientas modelados en 3D en el software, la función de auto-inclinación es capaz de determinar a qué profundidad el cortador o portaherramientas golpearía la pieza, y luego inclinar automáticamente la pieza para prevenir el choque y permitir que la operación continúe." El software también usa esos modelos 3D para permitir a los programadores realizar simulación fuera de línea de operaciones de mecanizado para detectar choques potenciales.

9. Verificación de sintaxis

Además de los programadores ejecutando simulaciones fuera de línea en Cimatron para cada programa, también usan una función de verificación de sintaxis en el control de Roeders que automáticamente corrige el programa y post-procesador para identificar cualquier error antes de que ese trabajo sea programado.

10. Reinicio de programa

Si hay necesidad de detener la máquina en medio de un programa, no es necesario que el programador entre manualmente en el programa publicado, busque el número de línea en el que la máquina se detuvo y luego borre todo el código arriba de ese para que reinicie en la posición apropiada en la que se fue. Con el control de Roeders, un operador simplemente ingresa el número de línea en el archivo de comando, y automáticamente leerá el programa y reiniciará desde allí.

Tranquilidad de automatización

Aunque mucha reflexión fue puesta en la estrategia de mecanizado desatendido de Phoenix Proto, se da cuenta de que lo inesperado puede ocurrir. Por eso, tanto las máquinas Roeders de 3 como de 5 ejes están configuradas para enviar alertas de texto o correo electrónico con mensajes de error. También es posible acceder remotamente a los controles de las máquinas a través del software en línea "Team Viewer", tal como los técnicos de servicio de Roeders pueden realizar diagnósticos remotos de máquinas para tener una idea si un componente necesita ser reemplazado, si un accionamiento necesita ser ajustado, etc. (De hecho, el ajuste de accionamientos puede realizarse remotamente usando este software, dice el Sr. Byers.)

Dicho esto, el taller tiene otra opción. Ha colgado una cámara del techo entre las dos máquinas Roeders que sus programadores pueden acceder vía sus teléfonos para ver qué está pasando (ver la foto en la presentación de diapositivas al principio de esta página). Pueden mover la cámara y hacer zoom en una máquina o su pantalla CNC para ver (y oír) el estado de los trabajos corriendo actualmente. "Tan ocupados como estamos ahora, revisaré en mi teléfono ciertas veces durante la noche, porque una máquina caída puede realmente arruinar nuestro cronograma", dice el Sr. Claar. "Es como si estuviera parado en la máquina."