Anatomía de un husillo tipo suizo

La popularidad de los tornos CNC tipo suizo se ha incrementado en los últimos años. A medida que las compañías luchan por permanecer competitivas, muchas encuentran las mejores oportunidades en componentes complejos torneados con tamaños de lotes pequeños a medianos. El control numérico computarizado ha añadido capacidades a la automatización suiza, que antes los diseñadores de máquinas CAM sólo podían soñar.

Un aspecto del diseño de máquina que se ha mantenido sin cambio es el cabezal deslizante y el correspondiente buje guía. Para trabajar con barras de diámetro más grande a altas velocidades, el buje guía debe rotar sincronizadamente con el husillo. De otra forma, la alta velocidad rotacional de una barra de diámetro grande, al rotar en un buje fijo genera mucho calor, causando que la barra se confisque en el buje guía.

Las primeras unidades de buje guía conducidas usaban pasadores o manguitos telescópicos para llevar la rotación del buje guía directamente desde la tuerca del mandril del cabezal. Las nuevas máquinas CNC utilizan manguitos telescópicos con transmisión por correa desde un eje secundario o bien una transmisión por correa con servomotor. Cada uno de estos sistemas tiene sus ventajas exclusivas, pero todos comparten una tendencia hacia la deflexión, aumentada por el diámetro pequeño y la posición de sus rodamientos.

Entendiendo las fuerzas del torneado
Las fuerzas de corte en el torneado pueden aproximarse mediante una serie de fórmulas matemáticas. Las fuerzas que actúan contra el trabajo que está siendo torneado y causan deflexión son Ft (fuerza tangencial), Fr (fuerza radial), y Ff (fuerza de avance). Las fuerzas combinadas resultan en una fuerza vectorial ´R´ como se observa en el diagrama. La maquinabilidad del material que se está cortando, la geometría de la herramienta, la profundidad de corte (DOC) y la tasa de avance por revolución del husillo pueden afectar estas fuerzas. Un cambio de cualquiera de estos factores resulta en un cambio en las fuerzas de corte. Ya que cambiar el material no suele ser una opción, un cambio en la DOC o en la tasa de avance se usa a menudo para eliminar la deflexión causada por las fuerzas de corte. En el torneado convencional, la fuerza resultante actúa para deflectar el trabajo. Debido a que reducir la tasa de avance por revolución resulta generalmente en un pobre control de viruta y en un decremento de la vida de la herramienta, la DOC se reduce y el torneado se lleva a cabo realizando múltiples pasos.

En el torneado suizo, el corte tiene lugar en la cara del buje guía. El buje aprisiona el trabajo y elimina la deflexión causada por las fuerzas de corte. Cuando se usa una unidad de buje guía conducida, el juego de rodamientos en el buje debe soportar la fuerza de corte y no deflectarse. No es práctico incrementar la posición de los rodamientos en una unidad de buje guía conducida, ya que tal incremento resulta en remanentes más largos de barras y aumenta la probabilidad de que una fuerza de corte tangencial actúe sobre la barra provocando su giro. Ya que el material y la DOC son fijas, las únicas opciones restantes para reducir la fuerza de corte y la deflexión y la vibración resultantes, son cambiar la geometría de la herramienta y disminuir la tasa de avance. Cambiar la geometría hacia un ataque positivo y usar un radio de nariz más pequeño ayuda a reducir la fuerza de corte. Sin embargo, el efecto es mínimo, generalmente no más de 5% de reducción de la fuerza. Los insertos con ataque positivo son más costosos, tienen la mitad del número de filos y están disponibles en menos grados y recubrimientos que los insertos con ataque negativo.

Disminuir la tasa de avance --más efectivo para reducir la carga en los rodamientos--, genera que muchos usuarios de los tornos suizos operen sus máquinas a velocidades menores que las óptimas. Si el avance se incrementa pasado el punto donde las fuerzas de corte vencen los rodamientos del buje guía, los rodamientos se deflectan y causan una inclinación al comienzo del torneado, además de vibración a su alrededor. Las tasas de avance más lentas también resultan en pérdida del control de la viruta y de la vida de la herramienta, mientras se incrementa el tiempo de ciclo y el costo de la pieza de trabajo.

Un diseño de husillo normal de Tsugami (East Granby, Connecticut, E.U.) enfoca el problema de rigidez común en todos los sistemas conducidos de buje guía, con una estructura de doble husillo compuesta de un husillo interior y uno exterior. Un cabezal convencional se usa como husillo exterior. El buje guía se monta en el extremo del husillo exterior fijo en un cartucho de cambio rápido. Un segundo husillo, un eje hueco estriado, se desliza al interior del husillo exterior, proporcionando el movimiento del cabezal deslizante de un torno suizo. El resultado total provee lo mejor de ambos mundos: la rigidez de un husillo de cabezal fijo con el torneado de un pase tipo suizo.

Los resultados de un estudio interno demostraron que un tiempo de ciclo típico en un torno suizo CNC consistía de casi 30% de tiempo inactivo y 70% de tiempo de corte. Por eso, parte del intento de diseño para este husillo era maximizar el tiempo de corte y reducir, a la vez, los tiempos inactivos tanto como fuera posible. Los ingenieros de la compañía concluyeron que un mejor traslape de las operaciones y las capacidades para cortes más pesados, eran las mejores formas de disminuir el porcentaje de tiempo de corte del tiempo de ciclo total. El desarrollo de modelos para servicio más pesado, equipados con el nuevo diseño de husillo, enlazó muy bien con el surgimiento de sistemas de refrigerante a alta presión y la tecnología de insertos wiper, para permitir incrementos drásticos en las tasas de remoción de metal. Al final, se logran tasas de remoción de metal más altas sin sacrificar la vida de la herramienta ni el acabado superficial.

Mejorar la vida del rodamiento
El único inconveniente de este diseño es que los rodamientos más grandes generarán más calor a unas rpm dadas, que un juego más pequeño a las mismas rpm. Para compensar esto, Tsugami provee una unidad de refrigerante del husillo como equipo estándar en los modelos que utilizan el diseño de doble husillo. La estructura de doble husillo ha probado ser mucho más confiable en campo que una unidad convencional de buje guía. El diseño de cabezal fijo también permite el uso de refrigerantes solubles en agua, sin dañar los rodamientos, ya que hay un espacio adecuado en la nariz del husillo para un sello adecuado. Los refrigerantes solubles en agua remueven mejor el calor en cortes pesados que los aceites de corte puros, mejorando la vida de la herramienta. Los refrigerantes a base de agua, más fáciles de limpiar, hacen el ambiente de los operadores más ameno y reducen aún más los costos de operación.

Un bono adicional
Otro beneficio de este diseño es una reducción en el tiempo de cambios. El buje guía se monta en un cartucho de cambio rápido en la parte frontal del husillo. El cartucho puede retirarse en menos de un minuto. Una tecla de función en el tablero del operador permite que el eje hueco interior avance en la zona de herramientas para cambio de boquilla. No hay necesidad de retirar ninguna guarda o cubierta durante el cambio. Las únicas herramientas requeridas para cambiar y ajustar tanto la boquilla como el buje son una llave hexagonal y una llave para pasadores. La mínima cantidad de herramientas y pasos requeridos va muy bien con la filosofía de las 5S para cambios rápidos.

Las ventajas competitivas son difíciles de lograr en esta época. El diseño de un husillo tipo suizo ofrece reducciones potenciales de costos en todos los frentes: tiempo de alistamiento, herramental, velocidad y costos ambientales. Tsugami ofrece este diseño de husillo en varios estilos de máquinas hasta con 15 hp y capacidades de barra de 20 mm, 26 mm, 32 mm y 38 mm.

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