Maximizar eficiencia: capacidades de centros de mecanizado horizontal para piezas grandes

Plataformas versátiles procesan con máxima eficiencia

Los centros de mecanizado horizontal (HMC) son plataformas versátiles de cuatro ejes y, cada vez más, de cinco ejes que maximizan el procesamiento de piezas grandes multi-cara minimizando la manipulación de piezas. Se usan en industrias tan diversas como aeroespacial, automotriz, generación de energía e ingeniería general.

Con sus capacidades de producción casi universales, los HMC ofrecen muchas opciones a fabricantes, haciéndoles menos susceptibles a los ciclos de cualquier industria individual, como petróleo y gas. Los HMC se automatizan fácilmente. Suelen equiparse con doble palet para piezas montadas en tombstone, una sola pieza, o pueden automatizarse con pools de palets de seis o más palets. Para producción desatendida lights-out, están disponibles sistemas de fabricación flexibles lineales (alimentados por almacenes y atendidos por robots guiados por raíl, robots pórtico superiores o robots de seis ejes montados en pedestal). Piezas únicas grandes van desde bloques de motor a brocas de campo petrolífero, carcasas de bomba y colectores, y familias de componentes montados en tombstone.

Máquinas y piezas grandes: la combinación adecuada

Cuando se trata de mecanizar piezas grandes, la rigidez de la máquina y su construcción fundamental son críticas para eficiencia, precisión y consistencia del proceso, según Sal Swierczek, gerente adjunto de ventas en Kitamura USA Inc., Wheeling, Illinois.

"La serie HXiG de HMC de Kitamura va de 250 a 1250 mm de mesa con husillos de 8.000 o 12.000 rpm de cuatro pasos con engranajes que entregan 430 a 900 ft-lb de par para cortar materiales exóticos", dice. "Estos HMC cuentan con husillos de bolas dobles refrigerados por aceite en guías caja que son endurecidas y rectificadas por inducción en casa, según el proceso patentado de Kitamura a acabado sub 4 µm para acoplamiento, precisión y fiabilidad a largo plazo superiores. El artesanado en técnicas de raspado manual permite precisiones consistentes de ±0,002 mm carrera completa y ±0,001 mm repetibilidad."

La primera consideración, por supuesto, es que la pieza quepa en el envolvente de trabajo de la máquina, ya sea cargando una pieza en la mesa o múltiples piezas para aumentar rendimiento, según Swierczek. "Criterios clave de selección de máquina incluyen capacidad de máquina (incluyendo tamaño total), potencia de husillo, rigidez, número de herramientas, selección de tamaño de almacén, y cono y tamaños de herramienta", dice. "Las máquinas horizontales de Kitamura tienen APC [cambiador automático de palet] estándar de dos estaciones con opción de aumentar número de palets con pools de palets en campo."

Swierczek añade que "la capacidad de automatizar responde a uno de los retos que enfrentan los talleres hoy: la dificultad para encontrar operarios cualificados y una plantilla que pueda manejar mecanizado lights-out."

Los centros de mecanizado horizontal ofrecen flexibilidad muy necesaria en procesamiento de piezas. "Comparado con un centro de mecanizado de tres ejes, los centros de mecanizado de cuatro ejes completos minimizan la manipulación de piezas, reduciendo el número de veces que una pieza debe voltearse de seis a dos", dice Swierczek. "Con el cuarto eje en el centro de mecanizado, el operario puede acceder a la pieza desde el frente y ambos lados y luego reposicionarla para procesamiento final."

Además, los HMC de Kitamura pueden expandirse a mecanizado completo de cinco ejes a medida que crece el negocio del taller. Kitamura ofrece su propio control CNC Arumatik-Mi, basado en iconos, compatible con programación FANUC. El control Arumatik-Mi detecta desgaste de herramienta y controla velocidad de avance de corte automáticamente monitorizando carga de husillo en vivo durante mecanizado. La vida de herramienta se maximiza y el tiempo de ciclo se acorta dramáticamente adaptándose al cambio en condiciones de corte. Beneficios adicionales incluyen reducción de tiempo no productivo y prevención de colisiones de máquina y/o error humano.

Máquinas para piezas grandes

Para mecanizado de piezas grandes, Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., ofrece dos líneas de centros de mecanizado horizontal: Niigata y KIWA Japón. "La línea KIWA Japón es conocida por mecanizado de alta velocidad y alta fiabilidad típicamente para talleres de trabajo y talleres de Nivel Uno y Dos automotrices", dijo Dale Hedberg, vicepresidente de operaciones. "La línea de producto Niigata está diseñada para aplicaciones de corte pesado donde se requieren mecanizado de baja frecuencia y altas tasas de remoción de metal."

La línea de producto Niigata incluye los de cinco ejes HN50E-5X y HN63E-5X, los de cuatro ejes HN50 a HN1600, los HN800 a HN1600-BAR y los HN800 y HN1000-FC de frontado y contorneado. Plataformas de máquina son de 500 mm a 1.600 mm en tamaño de mesa. Conos de husillo son CAT-50 BIG Plus, HSK100A, con opciones de husillo de 6.000, 8.000, 12.000 y 15.000 rpm.

"La industria ahora tiende hacia plataformas de cinco ejes en centros de mecanizado horizontal, que Niigata ofrece en tamaños de 500 y 630 mm", dijo Hedberg. "En industrias aeroespacial y energética, Niigata se enfoca en aplicaciones de mecanizado de baja frecuencia, que se benefician de las características naturales de amortiguación de las máquinas. El mecanizado de baja frecuencia se está volviendo una frase popular cuando se trata de mecanizado de alto par de titanio e Inconel para mejor vida de herramienta y longevidad del husillo", explicó.

La capacidad de amortiguar vibración de fuerzas de corte es inherentemente natural en los fundidos de la máquina y superficies de contacto metal-metal que son raspadas a mano para acabado de acoplamiento. Aplicaciones típicas en campos de energía y generación incluyen bridas, cabezales de fracturación y blisks, según Hedberg.

En mecanizado de piezas grandes con HMC, la precisión diamétrica del recorrido en cada eje y la rigidez son especialmente importantes para lograr precisión y repetibilidad. Dijo Hedberg: "La belleza del mecanizado de cinco ejes es que no necesitas un fijado elaborado o sujeción personalizada a menos que estés mecanizando una pieza única que pueda requerir un fijado tipo ventana o algún método especial de sujeción."

HMC enfocados en aplicación

Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, N.J., mira la demanda del cliente para desarrollo de nuevos centros de mecanizado horizontal —específicamente en modelos actuales más buscados para aplicaciones de mecanizado de piezas grandes, según Robb Hudson, presidente. "Hoy, la demanda de piezas grandes definitivamente viene de aeroespacial, que es un gran impulsor ahora, tanto en la familia de piezas de motor a reacción como componentes estructurales. Otros mercados objetivo incluyen molde y matriz, espacio exterior y defensa y sectores de turbinas de gas industriales", dijo.

"Nuestros centros de mecanizado horizontal, con palets de 1 m y mayores y configuraciones de mesa complementarias que acomodan pesos de 1.000 a 10.000 lb [453-4.535 kg], son considerados nuestras máquinas de piezas grandes. Es importante notar que nuestras máquinas en este rango de tamaño todas surgieron de clientes impulsando el desarrollo. No creamos las máquinas y luego buscamos mercados. Todas derivan del requisito de un cliente para una aplicación específica."

Para ser consideradas para fabricación de piezas grandes, las máquinas de Mitsui Seiki comparten las mismas características técnicas principales. Dijo Hudson: "Hay dos categorías en mi mente: piezas grandes que también requieren gran remoción de material y piezas que son simplemente incómodas y requieren cortes ligeros. Mitsui Seiki opera en el sector de piezas grandes que requiere corte pesado de materiales duros. Como tal, nuestras máquinas tienen mucha masa, rigidez, guías caja grandes, husillos de bolas de gran diámetro para empuje amplio, par axial robusto y servomotores especiales para mover la pieza en el envolvente de trabajo y acomodar las fuerzas de corte necesarias."

Todas estas características, más precisión de control y construcción, son requeridas para entregar el rendimiento adecuado para la aplicación, según Hudson. Añadió que el fijado es un elemento importante en fabricación de piezas grandes, y a menudo es tan sustancial y pesado como la pieza que sujeta.

Automatización más fácil

Aunque configurar automatización con cualquier tipo de máquina es complicado, los HMC parecen más fáciles de automatizar debido al volumen de su producción, según Mel Gay, gerente regional de ventas en YCM Technology (USA) Inc., Carson, Calif.

"La velocidad de recuperación de los dólares invertidos es siempre la preocupación principal en compra de HMC", dijo. "Tamaños populares son 500/630 mm con capacidad mínima de 60-120 herramientas para talleres pequeños, y 240 herramientas en adelante para fábricas mayores. Mayores capacidades de herramientas permiten trabajos más complejos con tiempo mínimo de preparación, especialmente con configuración de celdas multi-palet."

En IMTS, YCM exhibió el NH500A 6 APC, dirigido a industrias como automotriz que producen altos volúmenes de piezas. El NH500A tiene husillo de 30 hp, 20.000 rpm y palet de 500 x 500 mm.

"La productividad comienza con la fundación T-base altamente rígida con construcción de nervios", dijo Gay. "YCM combina esta fundación junto con un cabezal de husillo fundido en una pieza y un diseño de columna de doble pared. El husillo de accionamiento directo cuenta con cojinetes de bolas cerámicos de precisión, lo que permite una dinámica de corte superior y velocidades de husillo más altas."

Guías de rodillos de alta precisión en todos los ejes permiten velocidades rápidas de 2.362 ipm (60 m/min) y avances de corte hasta 1.575 ipm (40 m/min), según Gay. El sistema de indexado de palet de precisión acomoda un APC de seis palets para alto rendimiento de un solo componente o familias de piezas.

"Todas estas características permiten utilizar lo último en tecnología de herramientas de corte, mejorando el procesamiento de piezas y reduciendo el coste total de propiedad", dijo.

HMC de piezas grandes fabricados en América

DMG Mori, Hoffman Estates, Illinois, fabrica cuatro modelos de centros de mecanizado horizontal en su fábrica de Davis, Calif. El NHX 4000 y NHX 5000 son máquinas de tercera generación, cono 40, con palets de 400 y 500 mm; el NHX 5500 y NHX 6300 son de segunda generación, cono 50, con palets de 500 y 630 mm.

"Nuestros horizontales están diseñados para tanto corte pesado como requisitos de alta precisión de nuestros clientes en industrias de energía, aeroespacial, equipos industriales y fabricación por contrato", dijo John McDonald, vicepresidente ejecutivo de desarrollo y gestión de producto.

Piezas típicas incluyen válvulas grandes y piezas de turbina para industria energética; carcasas de motor, diferencial y transmisión en equipos industriales; y componentes estructurales en aeroespacial. Materiales van desde titanio o acero inoxidable a hierro fundido o aluminio —todo según la aplicación.

"Nuestros clientes logran alta productividad mediante automatización usando sistemas de pool de palets para producción de alta mezcla o con carga robótica dedicada usando nuestra hidráulica de fijado a través de mesa integrada que viene estándar en nuestros centros de mecanizado horizontal", dijo McDonald. "El mecanizado de piezas grandes y corte pesado dependen de una estructura de máquina optimizada. Todas nuestras máquinas horizontales tienen una estructura completamente optimizada por elementos finitos, incluyendo una estructura de cama de hierro fundido de soporte de tres puntos de servicio pesado, husillo powerMASTER (máquinas cono 50) y guías lineales de rodillos. Escalas lineales son estándar en todas nuestras máquinas, permitiendo a nuestros clientes mantener la más alta precisión durante la larga vida de la máquina."

El husillo powerMASTER estándar cono 50 es de 12.000 rpm con versión opcional de alta velocidad de 16.000 rpm. El NHX 6300 también tiene husillo opcional de alto par de 8.000 rpm para corte pesado de metales difíciles de mecanizar, como materiales exóticos y hierro fundido pesado.

La interfaz de control CELOS de DMG Mori ofrece una selección de aplicaciones para optimización de procesos. En línea con iniciativas Industria 4.0, la interfaz CELOS simplifica y acelera todas las etapas de procesamiento de piezas, desde la idea al producto final, tanto para fabricación de piezas unitarias hasta producción en serie masiva.

Las apps CELOS permiten gestión, documentación y visualización consistentes de datos de trabajo, proceso y máquina, así como vincular taller y estructuras empresariales de nivel superior, creando la base para producción digitalizada y sin papel consistente, según DMG Mori. Esta funcionalidad incluso puede lograrse desde un ordenador de oficina con la versión PC de CELOS.

"También ofrecemos ciclos tecnológicos que permiten a nuestros clientes realizar fácilmente procesos de mecanizado complejos", dijo McDonald. "Por ejemplo, Control de Vibración de Máquina (MVC) permite al operario encontrar avances y velocidades de corte estables durante mecanizado pesado. Control de Protección de Máquina (MPC), por otro lado, proporciona monitorización de vibración de husillo, monitorización de carga de herramienta y detección de colisiones para prevenir o reducir daños. Al recopilar y analizar estos datos, la interfaz CELOS ayuda a los talleres a maximizar productividad, lograr mayor precisión y mantener husillos funcionando más horas al día", dijo McDonald.

Capacidad en construcción

Los centros de mecanizado horizontal de Okuma, como el MA-600HII, son opciones populares para industrias automotriz, molde y matriz, energía y aeroespacial, según Errol Burrell, especialista de producto de centros de mecanizado en Okuma America Corp., Charlotte, N.C.

"Entregan precisión y estabilidad en mecanizado de piezas grandes gracias a su estabilidad térmica consistente", dijo. "Las máquinas se prueban para su perfil térmico y datos sobre posible deformación térmica se retroalimentan al control en tiempo real para compensación necesaria mediante el software TAS (estabilizador de eje térmico) de Okuma."

El MA-600HII es una máquina cono 50 con husillo de 6.000 rpm y almacén estándar de 40 herramientas que puede actualizarse a 60 herramientas e incluso hasta 285 o 400, por lo que es ideal para taller de trabajo o fabricación en serie. El MB-8000H es virtualmente la misma plataforma con mesa de 800 mm, y el siguiente tamaño arriba es el MB-10000H con diseño caja-en-caja en lugar de columna.

Las máquinas Okuma son raspadas a mano en cada superficie de acoplamiento para mayor precisión y productividad en un plazo más largo para costes reducidos y máxima rentabilidad, dijo Burrell.

Componentes típicos de campo petrolífero como carcasas de bomba se benefician de la capacidad única Turn-Cut de Okuma. "Para carcasas de bomba, nuestra capacidad Turn-Cut permite tornear una brida en centros de mecanizado horizontal Okuma", dijo Burrell. Turn-Cut es una opción de programación disponible en HMC Okuma que permite a la máquina crear taladros y diámetros que incluyen características circulares y/o angulares. Esto permite a usuarios tornear características en piezas grandes, desequilibradas en la misma plataforma donde se realizan funciones estándar de mecanizado CNC. Turn-Cut elimina la necesidad de comprar máquinas de propósito especial, herramientas, fijados o componentes adicionales.

Turn-Cut no afecta el rendimiento o longevidad de las máquinas. Cuando se requiere fresado pesado, el HMC Okuma equipado con Turn-Cut sigue siendo tan capaz como siempre, según Okuma. Lo más importante, Turn-Cut permite procesar trabajo sin necesidad de usar una máquina secundaria para una aplicación de torneado. Piezas como válvulas, tuberías o tipo colector son candidatos ideales para Turn-Cut.

En IMTS, Okuma mostró su sistema automatizado de palet vertical Tower Pallet. Almacena doce palets de 20 x 20" (500 x 500 mm), cada uno con capacidad de carga máxima de 1.100 lb (500 kg) en dos niveles. El sistema APC integrado entrega tiempos rápidos de carga/descarga con sistema de giro accionado por servomotor para operación lights-out, dijo la empresa.

Cuarto eje completo, automatización

Mazak Corp., Florence, Ky., ofrece una línea completa de HMC además de sus grandes centros de mecanizado vertical tipo puente, cinco ejes verticales con torneado (INTEGREX) y su máquina de cinco ejes tipo bancada VARIAXIS, según el especialista de producto Jared Leick.

"Mecanizado de piezas grandes con husillos cono 50 se hace en máquinas con mesas/palets de 800 a 1.600 mm, incluyendo nuestra serie HMC Quill con mesas de 1.250 a 1.600 mm, así como nuestro HCN-6800, con mesa de 630 mm para bloques de motor grandes para componentes automotrices y energéticos."

La línea cono 50 incluye tres modelos adicionales en la serie (HCN-8800, HCN-10800 y HCN-12800), con husillo estándar de 10.000 rpm y opcionales de 8.000 rpm y 6.000 rpm de 50 hp para mecanizado de alto par de titanio, acero inoxidable y otros metales exóticos. Para mecanizado de piezas estructurales grandes de aluminio para industrias aeroespacial y semiconductores, hay husillo de 16.000 rpm disponible, dijo Leick.

Mazak ofrece HMC de cuatro ejes completos, que representan alrededor del 60% de todos los HMC vendidos por la empresa, dijo. Los HMC de cuatro ejes con posicionamiento estándar de 0,0001° permiten rotar un fijado de dos o cuatro caras para taladrar ángulos compuestos, indexar 90° y rotar de vuelta. La operación completa de cuatro ejes permite contorneado y puede usarse para reducir tiempo de ciclo, facilitando el procesamiento, especialmente para piezas complejas.

Automatización disponible incluye el Sistema PALLETECH de Mazak, que puede acomodar un gran número de máquinas en configuración FMS y un robot guiado por raíl, junto con el nuevo sistema de automatización de máquina única Multi-Pallet Pool (MPP) de Mazak para máquinas de 400 y 500 mm. "Hemos automatizado HMC con robots FANUC de seis ejes en raíl que posicionan piezas en diferentes estaciones para marcado láser, lavado y desbarbado", dijo Leick.

El HMC Mazak HCN-5000 ahora está disponible con el sistema MPP de la empresa, una solución de automatización básica en huella compacta. Talleres que carecen del espacio en planta necesario para acomodar un almacén horizontal lineal convencional ahora tienen la capacidad de automatizar para producción continua, según Leick.

MPP ofrece la conveniencia de un sistema PALLETECH mayor de Mazak mientras ocupa hasta 30% menos espacio. Servomotores en cada eje, así como una disposición de palet de dos niveles que mantiene cada palet a la misma distancia del centro del almacén, aseguran carga/descarga rápida y estable, dijo.

Diseñado para expandirse conforme crecen las necesidades de producción, los fabricantes pueden reconfigurar el almacén estándar de 10 palets del sistema para alojar 16 palets para mayor salida. Con las operaciones de piezas grandes y pesadas del HCN-5000 en mente, Mazak hizo esta última MPP su versión más grande en términos de capacidad de tamaño de pieza. El sistema aloja palets de 500 mm² que acomodan piezas de hasta 800 mm de diámetro y 1.000 mm de alto.