La alta velocidad al límite

**B2BFOTO**Al desarrollar un proceso confiable para el mecanizado desatendido y de alta velocidad de núcleos y cavidades de moldes, Quality Tooling ha mejorado su competitividad al punto de comenzar a obtener trabajos que antes eran contratados en el extranjero. Aunque el fabricante de herramental de Corydon, Kentucky, tardó un poco mientras ganaba la confianza para operar “sin luces”, su enfoque sistemático ha resultado en un proceso de mecanizado de alta velocidad que desarrolla efectivamente, sin importar si hay un operador frente a la máquina. Esto es particularmente importante cuando se considera que los trabajos intrincados pueden requerir de 30 a 60 horas de tiempo de mecanizado.

El negocio familiar es liderado por los hermanos Mike y Brian Alvey. Sus principales programadores CAM son el hijo de Mike, Stephen, y el por mucho tiempo empleado, Jeramy Lamb. Brian admite que la compañía llegó un poco tarde al juego del mecanizado de alta velocidad de bloques para moldes de acero de herramientas. Esto se debe, en parte, a que el taller paga por adelantado y totalmente los equipos para permanecer libre de deuda, una política iniciada por su padre, Jim, quien comenzó Quality Tooling en un garaje en 1968. Con el tiempo, sin embargo, la compañía ensambló todos los elementos complementarios necesarios para el mecanizado efectivo de alta velocidad, incluidas las máquinas apropiadas, herramientas de corte y el software. Ahora puede producir superficies de moldes terminadas que requieren poco o ningún pulido manual o puntual, lo cual ha reducido enormemente los costos de manufactura y los tiempos de entrega. El mecanizado de alta velocidad de bloques también ha disminuido la necesidad de operaciones de electroerosión de penetración (y el mecanizado de electrodo relacionado). Además, las cotizaciones de trabajos son más precisas porque los errores de mecanizado inesperados que pueden requerir soldar el bloque, reprocesar o, incluso, un posible desecho, se han minimizado de manera extraordinaria.

Finalmente, el predecible proceso de mecanizado de alta velocidad de Quality Tooling ha preparado el camino para una mayor capacidad y para la producción desatendida. La última le permite a la compañía operar las máquinas de forma desatendida durante las noches, fines de semana y festivos, para sacar la mayor producción cada día.

Construyendo un proceso de alta velocidad

Quality Tooling es una compañía de 27 personas que originalmente diseñaba y manufacturaba solo moldes de inyección de plásticos, pero ha diversificado sus capacidades para producir también moldes para cauchos, fundición y soplado. También desarrolla una buena cantidad de trabajos de reparación de moldes, lo cual representa aproximadamente 20 % de su negocio.

Establecer un proceso de mecanizado de moldes desatendido no era el objetivo cuando Quality Tooling consideró por primera vez el mecanizado de alta velocidad. En su lugar, vio el mecanizado de alta velocidad como un paso necesario para mejorar la eficiencia al mecanizar superficies de moldes, contorneadas a la forma neta con mínimo trabajo de banco. Esto se consigue al llevar cierto número de cortes ligeros, con pasos cercanos, para minimizar el tamaño de las cúspides de material que se dejan atrás. Las tasas de avance y las velocidades de husillo deben ser más altas que en las operaciones de mecanizado convencional, de modo que la herramienta de corte puede lograr una carga de viruta efectiva y consistente. Las tasas de avance más altas posibilitan completar un mayor número de pases a lo largo de la pieza de trabajo para reducir los tiempos de ciclo.

Aunque las máquinas CNC existentes en Quality Tooling eran aptas para el trabajo tradicional de mecanizado de moldes, no estaban diseñadas para el mecanizado de alta velocidad. Por esto, el primer paso de la compañía fue identificar una máquina que entregara velocidades de husillo y tasas de avance más altas, junto con el requisito de precisión para superficies de moldes 3D complejas. Después de desarrollar su propia investigación y considerar opiniones de otros en la industria, escogió un V55 de Makino, de 30 hp y 20.000 rpm en el año 2000. Este VMC, con una interfaz de husillo HSK-63a, tiene un CNC Fanuc 16i-m que opera el software de servocontrol Super Geometric Intelligence (SGI), de Makino. El SGI usa visión anticipada de bloques del programa de parte y tiene capacidad de procesamiento rápido para sacar ventaja de las rápidas tasas de aceleración y desaceleración de la máquina y retroalimentación de posición de resolución fina. Anticipa el retraso del servo o el error de seguimiento para movimientos venideros del patrón de herramienta y mueve la máquina a esos puntos antes de recibir la retroalimentación real del servocontrol. Esto compensa el error del servo para ayudar a lograr patrones de herramienta precisos y suaves.

Otra pieza del rompecabezas del mecanizado de alta velocidad fue la adopción de portaherramientas balanceados de ajuste por contracción de OSG. Los portaherramientas de sujeción por contracción ofrecen mínima desalineación, de modo que no hay rotación fuera del centro de la herramienta de corte que pueda causar una carga de viruta más alta en una flauta y menor vida de herramienta. La interfaz de ajuste por contracción entre la herramienta y el portaherramientas, extremadamente rígida también, les permite a los cortadores alcanzar el interior de bolsillos profundos y otras áreas de difícil acceso. Esto reduce el número de operaciones de electroerosión de penetración, que de otra forma serían necesarias para crear esas superficies. Quality Tooling tiene dos calentadores por inducción Heat Robo, de MST Corporation, para el ajuste por contracción. El tiempo de calentamiento para estas unidades es menor a 2 minutos, y el lapso de enfriamiento se aproximada a 1 minuto.

El uso de portaherramientas de ajuste por contracción para maximizar la vida de la herramienta es importante porque la compañía no escatima en cortadores. Utiliza principalmente escariadores de OSG y Garr, que han probado ser efectivos en el mecanizado de alta velocidad de bloques con durezas hasta de 60 HRc. El escariador de punta esférica usado para operaciones de acabado, por ejemplo, tiene un radio en extremo preciso para asegurar tasas de remoción de metal constantes y superficies de molde suaves.

Similarmente, la compañía usa cortadores con recubrimiento de diamante Crystallume para mecanizar electrodos de grafito abrasivo, porque ellos combinan la dureza con un bajo coeficiente de fricción para excelentes acabados de superficie del electrodo y larga vida de la herramienta.

Con este equipo en sitio, Quality Tooling comenzó a programar trabajos de mecanizado de alta velocidad usando su paquete CAM existente. Aunque este paquete CAM trabajaba bien para las máquinas CNC estándar de la compañía, no permitía que el mecanizado de alta velocidad lograra su potencial completo. La “velocidad” todavía no estaba ahí, aun cuando la máquina era totalmente capaz de esto. Los cortadores que se aproximaban a una esquina bajaban su velocidad demasiado, y los patrones de herramienta resultantes no eran suaves. Además, Stephen dice que algunas veces los cortadores “caían” en brechas en lugar de mantener suavemente el patrón de herramienta y recorrerlo. Esto podía causar estriado del material y quiebre de la herramienta. En el mejor caso, la soldadura y el remecanizado podrían salvar el bloque. En el peor, el bloque era desechado y se perdía todo el tiempo y costo del mecanizado previo.

En 2004, Quality Tooling comenzó a buscar un software CAM más adecuado para el mecanizado de alta velocidad con su V55. Escogió CimatronE, del cual dice Brian fue más costoso que otros paquetes CAM, pero ofrecía las características necesarias para lograr las ventajas del mecanizado de alta velocidad. También vio que Cimatron no tuvo inconvenientes en programar cortes de prueba con base en trabajos reales que Quality Tooling había hecho en el pasado, mientras que otras compañías de software presentaban solo sus propias demostraciones de programa.

Stephen dice que los algoritmos de vista al frente en el CimatronE son muy útiles y han reducido enormemente la probabilidad de estriado. Específicamente, aprecia la tecnología de “Conocimiento del material remanente” del CimatronE, por medio de la cual el software calcula con precisión el material remanente después de cada patrón de herramienta y usa esta información para optimizar los movimientos subsecuentes del cortador. Él dice que un mejor manejo del material remanente es importante para prevenir impactos del cortador y minimizar el corte de aire.

Ahora son posibles las tasas de avance altas y consistentes porque el software redondea todos los patrones de herramienta para eliminar cambios bruscos de dirección y minimizar movimientos de sacudida, anota Stephen. El software adapta de manera automática el patrón de herramienta para asegurar que el redondeo no dé como resultado áreas sin mecanizar o costras grandes, aun cuando se corten esquinas agudas. Donde es necesario, también aplica automáticamente el mecanizado trocoidal. El mecanizado trocoidal sin traslapo y las opciones de aproximación/retracción tangencial ayudan a prevenir marcas testigo y rayones en las superficies del molde. El software también minimiza el tamaño de las costras para superficies 3D complejas, variando el mecanizado con base en la inclinación vertical u horizontal y, o, manteniendo una distancia fija 3D entre pases.

Sin el patrón de herramienta “torpe”, común en el software anterior, los cortadores de mayor precio duran más y ofrecen mejores acabados. Además, Quality Tooling puede desbastar más áreas de sus bloques y depender menos de la electroerosión de penetración. Hoy, un bloque típico puede requerir una o dos operaciones de electroerosión de penetración, comparadas con las 15 o 20 de antes. La compañía logra aún más ahorros de tiempo y costos al reducir el número de electrodos que necesita para mecanizar.

Las cotizaciones también son más precisas porque el agrietamiento inesperado casi se ha eliminado. Además, el tiempo de cálculo del código de CN es mucho más corto.

Stephen dice que el software puede ajustarse para usar los ocho núcleos de su computador. Otro factor que permite grandes ahorros de tiempo es la capacidad de procesar un trabajo mientras él programa otro. Además, los programas se actualizan automáticamente cada vez que se hacen cambios.

Mayor capacidad, operación sin luces

Brian dice que el proceso de mecanizado de alta velocidad, eficiente y predecible de Quality Tooling, le permitió a la compañía obtener más trabajos al ofrecer entregas más rápidas a menores costos que muchos competidores. Esto motivó a la empresa a incrementar su capacidad con la adición de otro puesto del CimatronE y dos máquinas más de alta velocidad Makino: una S56 en enero de 2006 y una F5 en abril de 2012. La F5 está equipada con un sistema de evacuación de polvo Donaldson Torit y es usada para el mecanizado de electrodos de grafito, así como para el mecanizado de acabado de bloques de moldes (véase el recuadro para más información sobre la máquina).
Quality Tooling también percibió rápidamente que la manufactura “sin luces” sería el siguiente paso lógico para volverse más productivos. Esto también le permitiría a la compañía cargar a los clientes una tasa diferente porque no hay costos de empleado asociados con ese trabajo.

Los trabajos con electroerosión y fresado con tiempos de ciclo cortos normalmente se realizan durante uno de los dos turnos diurnos en los cuales están presentes los operadores. Los trabajos de duración más larga se ajustan para operar durante la noche, los fines de semana o los festivos. Las reuniones se llevan a cabo todos los jueves o viernes para programar el trabajo desatendido en el siguiente fin de semana. Si no hay trabajos de tiempo de ciclo largo en cola, se alistan múltiples trabajos más pequeños. En esos casos, la meta es hacer el mayor uso del espacio real disponible de la mesa de cada máquina mientras se nivelan los beneficios de métodos alternativos de sujeción de trabajos.

Por ejemplo, la compañía usa mandriles para sujeción de trabajos magnéticos electropermanentes, de Tecnomagnete, en sus centros de mecanizado y electroerosionadoras de penetración, para alistamientos más rápidos y flexibilidad de la fijación (en la actualidad tiene seis de ellos). Antes mecanizaba resaltos en la parte inferior de los bloques, de modo que las pinzas convencionales pudieran asegurar las piezas de trabajo. Tomaba hasta 30 minutos en alistarse e indicarse un bloque mediante este método de sujeción de trabajos. Con los imanes, esto toma solo 5 minutos. Para el fresado y trabajos de electroerosión de penetración la compañía puede alistar un trabajo de corrida más larga en un lado del imán y dejar la otra mitad disponible para corridas cortas durante turnos desatendidos. De esta forma, los operadores pueden pausar un trabajo incompleto de corrida larga en la mañana y alistar un trabajo completo de corridas cortas durante el día.

De forma similar, Quality Tooling usa sistemas de fijación con pallet de cambio rápido Hirschmann para acelerar los alistamientos y los cambios en electroerosionadoras de penetración y centros de mecanizado que fresan electrodos. Los pallets se instalan en receptores en ubicaciones conocidas de la mesa, haciendo la instalación rápida y el posicionamiento repetible. Antes de mecanizar electrodos, la compañía simplemente corta con sierra los blancos de grafito y usa un adhesivo industrial diseñado para pegar los blancos a las placas de aluminio que encajan con los pallets Hirschmann.

Aunque Quality Tooling ha logrado un alto grado de confiabilidad y predictibilidad en su enfoque sin luces, ningún proceso es perfecto. Los cortadores pueden quebrarse inesperadamente, como puede hacerlo el alambre de electroerosión, lo cual puede generar tiempos ociosos e improductivos. En lugar de pagar a alguien para adelantar estos chequeos en persona durante las horas sin turno, Quality Tooling ha instalado cámaras LED infrarrojas que pueden tomar una vista panorámica y de cerca para ver la pantalla de control de la máquina o su zona de trabajo. Stephen desarrolló una forma de asignar una dirección IP a la alimentación de video para acceder a las cámaras a través del computador de la casa o de un teléfono inteligente. Esto facilita chequear manera remota el estado de trabajos desatendidos de corrida larga. Si se identifica un problema, alguien puede ir al taller para hacer el arreglo y dejar el equipo en operación otra vez.

Elementos clave de diseño de máquina para el mecanizado de moldes

La máquina de alta velocidad más nueva de Quality Tooling es su Makino F5, instalada en abril de 2012. William Howard, gerente de producto de Makino, dice que este VMC de 30.000 rpm combina una gran variedad de elementos de diseño estándar que lo hacen apto para los trabajos complejos y de corrida larga que el fabricante de moldes desarrolla. Estos incluyen:

• Configuración de eje rígido. La configuración de eje del F5 no tiene salientes. Tener los ejes X y Z en la columna y el eje Y bajo la mesa garantiza que la pieza de trabajo siempre esté ubicada entre las guías lineales y permanezca soportada a lo largo de todo el recorrido posible por la máquina.

• Tornillos de bola de paso fino. Los tornillos de bola de paso fino, de 8 mm, de la máquina, proveen el doble de puntos por revolución en los movimientos de los ejes X, Y y Z respecto a otros VMC con tornillos de bolas de paso 16 mm. Tener la mitad de la imprecisión por movimiento lineal de los tornillos de bolas le permite al F5 realizar mezclas y crear radios para superficies de moldes altamente contorneadas. Esto ayuda a reducir la variabilidad durante largas horas de mecanizado continuo y, cuando se combina con retroalimentación de escala óptica de 0,05 micras, permite una precisión del posicionamiento de ±0.000060 pulgadas y repetibilidad de ±0.000040 pulgadas.

• Último SGI. El F5 usa el control de Makino basado en Fanuc, Profesional 5, con la última versión de software para servocontrol SGI-4 del constructor de máquinas. Esta versión tiene visión anticipada de hasta 600 bloques para evitar de manera más efectiva disparos por encima o por debajo en el recorrido de la herramienta. Además, la compensación coordinada y simultánea en los tres ejes permite a la máquina rastrear con precisión patrones de herramienta programados en contornos de moldes complejos, incluso a altas tasas de avance.

• Sistema de lubricación de los tornillos de bolas. El lubricante se entrega dentro y fuera de los paquetes de rodamiento en cada extremo de los tornillos de bolas. Un enfriador de lubricante integral tiene ciclos de encendido y apagado para mantener la temperatura del lubricante en ±2 °C. Esto permite una lubricación efectiva del rodamiento y ayuda a mantener un posicionamiento preciso al controlar el crecimiento térmico a lo largo de los extensos tiempos de ciclo que son comunes en el mecanizado de moldes.

• Enfriamiento completo del husillo. El aceite enfriado circula a través de una cubierta para enfriar la parte exterior del husillo y motor del F5. Sin embargo, el núcleo tiende a ser el elemento más caliente de un husillo en operación. Para enfriar el núcleo, se entrega el aceite con temperatura controlada por debajo del centro del husillo. Además, los rodamientos de husillo se enfrían mediante la técnica de “bajo la carrera”. El aceite de enfriamiento inyectado en el lado exterior de un rodamiento rotando tendría que superar la fuerza centrífuga del rodamiento para alcanzar la carrera del rodamiento interior, que está más caliente. El método bajo la carrera entrega el aceite enfriado en el núcleo del husillo a través de pequeños pasajes para alcanzar el lado inferior de una carrera de rodamiento interior. La rotación del rodamiento evacúa cualquier exceso de aceite.