Torneado: alto volumen para autopartes

Una de las caracterí­sticas de la manufactura de componentes para automóviles es la producción de lotes de gran tamaño. Mantener la productividad, repetitividad y calidad en cada una de las piezas se convierte en un gran reto para los fabricantes. En este artí­culo el autor explora algunos de los aspectos fundamentales a tener en cuenta para mejorar tanto la confiabilidad de las piezas, como su calidad, pensando en mantener una productividad que permita competir globalmente.

A la hora de elegir un sistema de torneado de piezas para alto volumen para la industria automotriz es fundamental entender que las claves se encuentran en tres ejes fundamentales: repetitividad, calidad y productividad. La fuerte competencia internacional por la producción de autopartes proveniente de Asia, Europa, Estados Unidos o Brasil, entre otros, hace que no haya espacio para la improvisación a la hora de ofertar a las ensambladoras la producción de una parte de alto volumen.

Cuando se trata de comprometerse con la producción de un lote de gran tamaño de partes automotrices, se debe estar seguro de que cada pieza se mantiene dentro de las estrechas tolerancias especificadas. Para esto las máquinas deben correr de manera segura para cada proceso elegido y garantizar la repetitividad en sus movimientos, incluso a altas velocidades.

Dependiendo de las aplicaciones, puede ser necesaria una repetitividad de posicionamiento con valores menores a 5 µm. Cuando las tolerancias de ajuste de piezas en serie se encuentran en el orden de los 30 µm o menos (ajustes de deslizamiento o incluso de interferencia), también es importante asegurarse que la máquina lo puede lograr a largo plazo.

Esto requiere confirmar con los proveedores aspectos como qué tipo de materiales, tratamientos térmicos y acabados utiliza para la fabricación de las guí­as, qué mecanismos usa para transmitir el movimiento sin vibración y sin holguras, cómo protegen las guí­as del desgaste por fricción y atrapamiento de la viruta y cómo afecta esto a la rigidez de la máquina. Los proveedores serios de máquinas herramienta realizan pruebas de durabilidad y confiabilidad a sus productos y los clientes deben exigir conocer estos resultados y basar sus decisiones en ellos.

Un tema al que poco tiempo de análisis se le dedica a la hora de escoger un torno, independientemente de su tipo, es la relación que existe entre la fuerza de agarre del mandril y la velocidad de giro que ofrece la máquina. Y, por supuesto, la manera más simple de incrementar productividad en un torno es aumentando la velocidad de rotación. Comúnmente, por simple acción de aceleración centrí­fuga, los mandriles reducen dramáticamente la fuerza de agarre a medida que aumenta la velocidad de rotación. Esto hace no solo peligroso mecanizar una pieza de gran tamaño, sino que, a medida que se pierde la fuerza de agarre, se aumenta la posibilidad de tener vibraciones entre la pieza y la herramienta, causando con ello deterioro de la calidad superficial y reducción de la vida útil de los insertos de corte.

Existen proveedores de mandriles, como la firma Microcentric de Alemania, que ofrecen mantener la fuerza de cierre de manera prácticamente constante a velocidades de hasta 10,000 rpm para diámetros de barra de hasta 1.25 pulgadas. Esto lo logra mediante un sistema de cuñas externas actuadas neumáticamente, sin necesidad de usar contrapesos.

Aún en el tema de las mordazas, un aspecto clave a revisar es el de la repetitividad de posicionamiento del agarre de la pieza. Esto garantiza que de pieza a pieza se mantenga un valor de concentricidad dentro de los lí­mites aceptables por el cliente. Mordazas de excelente calidad ofrecen valores de repetitividad menor a 2.5 µm y pueden llegar a ser menores a 1 µm en mordazas para torneado de alta precisión.

Incluso cuando se pueden contar muchos más aspectos claves para garantizar la repetitividad y calidad de las piezas torneadas, como serí­an la capacidad del control de la máquina para hacer movimientos de alta velocidad, pero sin sobresaltos exagerados, o la escogencia de sistemas CAM que interpolen de la mejor manera las geometrí­as complejas a realizar, hay un tema crucial que debe ser tocado en este momento: las herramientas de corte.

Con los requerimientos actuales de mecanizado a altas velocidades de corte (> 400 m/min) en aceros incluso pre-endurecidos, son necesarias herramientas que puedan mantener una vida útil lo suficientemente larga para que los procesos sean económicamente viables. Con esto se entiende que el desgaste de la herramienta sea lo suficientemente bajo para mantener la geometrí­a del filo de corte constante por más tiempo, garantizando así­ el cumplimiento de las tolerancias de fabricación y la rugosidad superficial esperada en la pieza. De igual forma, esto asegura menores fuerzas de corte que, a su vez, resultan en menores esfuerzos residuales en la pieza, evitando la reducción de su capacidad estructural.

Un ejemplo de los desarrollos en tecnologí­a de insertos de corte más destacable de los últimos tiempos es el de la firma Sandvik, que ha desarrollado una tecnologí­a denominada Inveio, con la cual todos los cristales que forman los diferentes recubrimientos duros del inserto de corte se alinean de tal forma que el plano cristalográfico con mayor densidad atómica sea el que recibe los mayores esfuerzos. Esto hace, según reportes de casos de éxito de la compañí­a en fabricación de piezas automotrices de acero, que se logre 30% más de piezas por filo que con insertos tradicionales, aun cortando a altas velocidades y grandes profundidades.

Otro aspecto fundamental para reducir la posibilidad de insertar errores en las piezas fabricadas en serie es disminuir el traslado de las partes de una máquina a otra. Esto es crucial en un proceso como el torneado en el que normalmente no se parte de una pieza fijada en un sistema de referencia cero, sino de materia prima en forma cilí­ndrica.

Productividad del proceso

Este último tema explica por qué los fabricantes de productos para la industria automotriz tienden cada vez más a preferir máquinas herramienta que les permiten realizar más de una tarea con la misma configuración, no solamente para evitar errores de fabricación, sino por la reducción de tiempos muertos que se tienen al pasar la pieza de una máquina a otra.

Entre las máquinas basadas en torno que permiten realizar múltiples tareas se encuentran dos tendencias principales. Como primera medida están los tornos que ajustan la pieza de manera fija, en las que la herramienta es la que se traslada a lo largo del eje de rotación, es decir, basadas en el principio del torno convencional. La segunda tendencia es la de aquellas máquinas en las que la pieza es la que se traslada a lo largo del eje de rotación y no la herramienta, como es el caso de los tornos de tipo suizo, en los que el punto de trabajo siempre está cerca del apoyo, minimizando la deflexión de las piezas mientras se posibilita tener mayores profundidades de corte y grandes avances. Esto, además de mejorar en la mayorí­a de los casos la precisión y rugosidad superficial, aumenta la productividad notablemente con respecto a tornos convencionales. Entre otras ventajas, un torno convencional tiene entre 3 y 4 ejes. Uno de tipo suizo puede tener entre 7 y 13 ejes, logrando una gran cantidad de pasos de fabricación en un espacio de trabajo muy reducido y con ciclos de tiempo muy bajos.

Pero, ¿cuándo inclinarse por un torno de tipo suizo? En términos generales se usa para piezas de alto valor agregado de tamaños menores a 1.5 pulgadas de diámetro y grandes relaciones de aspecto (relación entre el largo y el diámetro de la pieza) en las que se finalice un trabajo complejo con muy poca intervención del operador. Las máquinas automáticas convencionales, controladas por levas, pueden ser muy rápidas y competitivas para trabajos de muy alto volumen en los que el tiempo de configuración del proceso no sea significativo comparado con el de trabajo, pero para lotes de cantidades medias con las condiciones antes descritas, la reducción de tiempos muertos y el aumento de la complejidad posible de la pieza hacen la diferencia para inclinarse por un torno de tipo suizo.

Una desventaja de este tipo de tornos es que requiere materia prima con un diámetro único determinado para cada buje de soporte, haciendo que se deba conocer bien qué piezas se quieren fabricar antes de hacer la inversión. En el caso de piezas con diámetros mayores a 1.5 pulgadas y/o con relaciones de aspecto lo suficientemente bajas para que no sea necesario tener un apoyo tan cerca a la herramienta, se deberí­a pensar en máquinas con principio de agarre convencional y múltiples torretas de trabajo independiente.

Una de estas máquinas multi-tarea para alta productividad es la serie Hyper Quadrex de Mazak, la cual tiene hasta dos torretas de trabajo simultáneo e independiente y capacidad de trabajo en eje Y para fresado en las dos, además de tener un mandril secundario indexable completamente programable que incluso puede recoger piezas iniciadas en el mandril principal, para trabajar su cara trasera y entregarlas completamente terminadas. Si la pieza lo permite, se pueden usar las dos torretas para trabajar en la misma caracterí­stica de la pieza, ahorrando hasta 25% del tiempo de ciclo, según los datos proporcionados por Mazak.

Otro concepto interesante es el de las máquinas VL 3 Duo de Emag. La máquina funciona con dos espacios de trabajo paralelos e independientes comunicados por un sistema de manejo e inspección de piezas. Este centro de mecanizado vertical, trabaja las piezas “colgadas” del mandril que se encuentra en la parte superior de la máquina. Esto presenta ventajas interesantes respecto a la evacuación de la viruta, la cual cae de manera natural por simple acción de la gravedad. Cada espacio de trabajo tiene una torreta de hasta 12 herramientas. Para terminar una pieza completamente, el sistema de manejo de piezas puede recoger la pieza de un mandril, la rota y la entrega en el segundo mandril. Este tipo de solución se usa comúnmente en la fabricación de piñonerí­a para trenes de transmisión.

Un ejemplo de máxima productividad para piezas de alta complejidad y precisión lo presenta la empresa Spinner de Alemania, que tiene una lí­nea de tornos para operaciones simultáneas reales de hasta tres torretas de 12 herramientas cada una. Dos de las torretas tienen ejes Y para fresado. Cada torreta puede trabajar en cualquiera de los dos mandriles que giran hasta 7.000 rpm. Los fabricantes aseguran que esta lí­nea de maquinaria está diseñada para mecanizar piezas pre-endurecidas de más de 60 HRC, con el fin de reemplazar procesos posteriores de rectificado.

Para el caso de producción de grandes lotes, todos estos equipos pueden tener sistemas de alimentación de barras debido a que es fundamental que puedan correr desatendidos todo un turno (o varios). No necesariamente debe pensarse que al usar un alimentador de barras sea para hacer siempre las mismas piezas. Si una barra permite hacer 100 o 200 piezas, el operario puede dejar ese trabajo corriendo y supervisar otra máquina mientras tanto. Al finalizar el primer trabajo, el operador puede cargar una pieza distinta de diámetro similar y ponerla a correr de nuevo, mientras sigue trabajando en la otra máquina.

En conclusión, es importante hacer un estudio de tiempos riguroso para determinar qué tipo de máquina es la más conveniente hoy en dí­a para cada grupo de trabajos especí­fico. Mauricio Sancio, director de Aplicaciones de Raikes Fonseca SAS, representantes de Mazak en Colombia y Ecuador asegura que “incluso si la geometrí­a de la pieza no es tan complicada, con el volumen de producción correcto puede valer la pena hacer una inversión en una máquina que evite transferencias a otras máquinas y reduzca tiempos muertos. Y esto puede ser cierto para tornos de tipo suizo, máquinas automáticas clásicas o multi-tarea de alta productividad”.