La historia de una pieza

Uno de los retos fundamentales de la producción en serie de componentes de alta criticidad es el monitoreo de procesos de manufactura con la finalidad de asegurar la calidad del producto. El registro preciso y oportuno del trabajo en cada pieza a lo largo de sus diferentes procesos de fabricación es ahora una de las preocupaciones fundamentales en los nuevos desarrollos para máquinas herramienta.

La producción de cualquier componente industrial complejo se realiza a partir de varios pasos de fabricación. Lo que se denomina una cadena de manufactura. En el ejemplo de un eje con ruedas dentadas para una caja de cambios automotriz, se tienen pasos que van desde la forja de una preforma, pasando por el torneado de la geometrí­a previa, fresado de los dientes, endurecimiento superficial localizado de las zonas crí­ticas de rodamiento, torneado duro y rectificado final.

Todos estos pasos dejan una historia de efectos de las fuerzas, las temperaturas que se llevaron a cabo para deformar, cortar, endurecer el material y que establecen su funcionalidad final. Los efectos de cada proceso determinan en últimas la calidad del producto. Una pieza pudo, por ejemplo, tener un excelente proceso de rectificado final, pero si desde uno de sus pasos intermedios formó microgrietas en su estructura generadas por parámetros incorrectos de corte o de tratamientos térmicos, su vida útil se verá gravemente afectada. Aún si se ve perfectamente en el exterior, o incluso si pasa los ensayos no destructivos tradicionales de inspección.

Organismos reguladores internacionales como la Administración Federal de la Aviación (FAA, por su abreviatura en inglés) denominan a estos problemas inducidos: Anomalí­as de Manufactura. Otros ejemplos de anomalí­as pueden ser la porosidad inducida por procesos de deformación o quemaduras sobre las superficies producidas por el rectificado, entre muchos otros.

Precisamente, con el fin de obtener información sobre la relación entre la calidad del producto y su cadena de fabricación, es que existe una rama de la ingenierí­a de manufactura dedicada al monitoreo de procesos. Su función es cuantificar variables de proceso a través de la medición y tratamiento de señales captadas por sensores especializados, que al final permitan analizar y tomar decisiones sobre el estado de la fabricación.

Un caso crí­tico

En 1996, un accidente aeronáutico en Pensacola, Florida inició un movimiento que cambió la historia de la manufactura para siempre. Durante el arranque de las turbinas de un MD-88 de pasajeros, uno de los discos de la primera etapa del compresor se soltó y una de sus partes impactó el fuselaje. El disco ingresó por un costado y salió por el otro con un terrible registro de dos ví­ctimas mortales que fueron impactadas por el objeto a alta velocidad. La pieza falló después de 13,835 horas de uso, aun cuando su vida útil esperada era de 20,000 horas.

Después de un análisis exhaustivo se determinó que la falla se debió a un error de manufactura. Durante el taladrado de uno de los agujeros del disco de titanio, es probable que la broca haya fallado o se haya bloqueado debido a la combinación de una pérdida de lubricante y el estancamiento de viruta en el fondo del agujero, generando altas temperaturas en el material.

Todo esto como causa de la mala elección de parámetros de corte y posiblemente un elevado desgaste de la herramienta. Estos hechos generaron un cambio crí­tico en la microestructura del material que llevó a su falla por fatiga antes de tiempo.

Tras este incidente, la FAA promovió la creación del proyecto Roman que introdujo controles apropiados en la manufactura de componentes crí­ticos. Los fabricantes europeos de turbinas aeronáuticas formaron a su vez el proyecto MANHIRP que investigó el uso del monitoreo de procesos para la detección de anomalí­as, pruebas no destructivas, fatiga y levantamiento de modelos probabilí­sticos. Gracias a este último proyecto, se generaron nuevas definiciones de anomalí­as, junto con la categorización e identificación de señales.

El gerente general de la firma Knowledge in Precision Manufacturing (KPM), Jorge Granada, experto en System Safety para la industria aeronáutica declaró que “existen actualmente normativas y referentes internacionales como el Mil-STD-882, la ARP 4761 y ARP 4754, e incluso la Mil-HDBK-1530 que ofrecen recursos valiosos para la identificación de condiciones no solo de funcionamiento del producto aeronáutico, sino de los métodos de manufactura que pueden afectar el nivel de seguridad que un componente o una estructura aeronáutica van a ofrecer durante su operación”.

En términos generales, los organismos de regulación internacional han declarado lo siguiente:

• El uso del monitoreo de procesos se utiliza como retroalimentación para la calificación de procesos de manufactura, necesaria la certificación de una pieza aeronáutica crí­tica.
• El monitoreo de procesos permite ganar la habilidad de manufacturar componentes crí­ticos rotativos mientras se ofrece un mejor control de calidad que llevará a niveles mucho mayores de seguridad aérea.

La trazabilidad de la fabricación de un componente aeronáutico es clave para su aprobación por entes internacionales y la FAA ha declarado que los sistemas de monitoreo en lí­nea permitirán la reducción del tiempo necesario para estas aprobaciones.

Monitoreo en la lí­nea de procesos

Según la AC33.70-1 de la FAA, los procesos de manufactura que están calificados de manera apropiada no causan anomalí­as inducidas por el mecanizado. Solamente cuando hay eventos de causa especial es que suceden estas anomalí­as. Entre los eventos de causa especial que se pueden detectar con monitoreo de procesos están:

• Herramientas rotas.
• Procesos de rectificado incorrectos.
• Material de herramienta incorrecto.
• Desgaste excesivo de herramientas.
• Pérdida de refrigerante.
• Velocidades y avances incorrectos debido a un mal funcionamiento de la máquina.
• Velocidades y avances incorrectos debido a la intervención de un operario.

En la actualidad existe una gran variedad de equipos y sensores que permiten monitorear en lí­nea algunas de las variables que determinan la presencia de anomalí­as inducidas por el mecanizado en los productos y que resultan en su falla temprana.  Aquí­ se presentan los más importantes:

• Medición de potencia

El más común de ellos es el medidor de potencia real de mecanizado. A partir de esta medición se puede calcular el torque necesario por las herramientas para realizar el corte. En el caso de medir valores demasiado altos, se puede estar usando una geometrí­a incorrecta de las herramientas o sus filos de corte pueden estar desgastados, lo que puede a su vez indicar que se esté aplicando el material incorrecto para el corte.

Por supuesto, estar alerta de un valor alto evita la rotura de una herramienta durante el trabajo y el consecuente deterioro de la pieza fabricada. Otra información valiosa que puede verse en las señales de potencia es una posible entrega incorrecta de lubricante dado que, al aumentar el factor de fricción entre los materiales, el torque del husillo debe aumentar. Información sobre cambios repentinos de velocidades del husillo, puntos de entrada y salida de la herramienta en el material, atascamientos de viruta entre otros, son también parte de los datos que se pueden obtener.

Una ventaja grande de la medición de potencia en el husillo es que no interfiere de ninguna manera con la zona de mecanizado debido a que se instala en los armarios de alimentación eléctrica y de control de las máquinas herramienta. Equipos de la firma alemana Artis GmbH, por ejemplo, permiten conectarse directamente al control numérico de la máquina para hacer análisis de detección de herramientas rotas o desgastadas. Algunas máquinas cuentan directamente con este valor para ser analizado en tiempo real.

• Medición de fuerzas de corte

La medición más directa que se puede tener sobre el comportamiento de las herramientas es la que generan los sensores que miden las fuerzas de corte.

Existen varios tipos, siendo los más útiles los dinamómetros basados en sensores piezoeléctricos y que se localizan directamente en los cabezales de mecanizado o en los soportes de los insertos de corte en el caso del fresado.

La señal de estos sensores, cuando está bien analizada, permite cuantificar claramente el incremento de fuerzas de corte a medida que la herramienta pierde su filo, al igual que identifica irregularidades como descentres, pérdidas de insertos de corte, verificar velocidades reales de rotación, entre otros.

Debido al alto costo que tiene un cabezal con este tipo de sensórica, las aplicaciones para las que se suelen utilizar son precisamente las piezas más crí­ticas.

• Medición de aceleración

La medición de aceleración es clave para la determinación de condición de componentes mecánicos dentro de una máquina.

Determinar las frecuencias de resonancia de las diferentes piezas y así­ entender si una pieza puede entrar a vibrar a amplitudes mayores a las deseadas, como es el caso del “chatter” en el proceso de mecanizado. El rango tí­pico de medición de vibraciones en mecanizado llega hasta unos 30 kHz utilizando equipos de alta sensibilidad.

En el caso de que se conozcan las masas que están vibrando, se pueden obtener cálculos de las fuerzas que sienten los componentes directamente a partir de las leyes de Newton.

• Medición de emisión acústica

Los sistemas basados en medición de vibraciones de alta frecuencia permiten identificar claramente eventos de muy corta duración como fractura de filos de corte, generación de grietas en materiales frágiles, entre otros. El espectro leí­do comúnmente por el sensor está entre los 50 kHz y los 500 kHz.

Debido a que cada interfaz entre elementos mecánicos presenta un efecto amortiguador sobre la señal, es importante localizar el medidor de emisión acústica tan cercano como sea posible a la interfaz entre herramienta y pieza de trabajo. Una desventaja de este método de monitoreo es que no permite generar una calibración directa entre la potencia acústica medida y algún parámetro que se quiera relacionar. Siempre se analiza su señal para detectar caracterí­sticas cualitativas del proceso más no cuantitativas.

Empresas como la alemana Brankamp GmbH ofrecen sistemas completos de protección de procesos de corte que utilizan todos los tipos de sensores descritos anteriormente. La técnica de monitoreo se perfila hoy en dí­a hacia el manejo y análisis de grandes cantidades de datos en la nube y la inteligencia artificial, con el fin de analizar no solo el comportamiento de una máquina individual, sino tomar la información de un conjunto de máquinas, incluso alrededor del mundo, que estén haciendo el mismo tipo de trabajo, y se puedan tomar decisiones para optimizar los procesos de manufactura basados en datos reales y cuantificados, de manera que trascienda la industria aeronáutica hacia el resto de fabricantes de productos mecanizados.