Laboratorios de tecnología del mecanizado permiten nuevas formas de trabajo

Abandonar el viejo método y reemplazarlo con uno nuevo y radicalmente diferente, que no ha sido considerado aún: de eso trata la “tecnología disruptiva”.

En el mecanizado, ejemplos de tal tecnología disruptiva pueden incluir:

• Montar una herramienta de torneado con forma de botón en un portaherramientas vivo, de modo que la herramienta gire mientras entra en el diámetro exterior de la pieza de trabajo que rota en el mandril del torno.


• Apuntar corrientes finas de refrigerante hacia la pieza de trabajo, de modo que los cambios en la contrapresión puedan medir directamente el tamaño de la parte en la máquina.


• Usar una rueda de rectificar motorizada, montada en la torreta de herramientas, para afilar una herramienta de corte embotada, mientras está en el husillo o en la estación de herramientas, o usar una solución similar para ‘reacondicionar’ los filos de los insertos entre cada corte.

Estos son algunos de los desarrollos que salen del Laboratorio de Tecnología de Mecanizado (MTL), una iniciativa de investigación y desarrollo dedicada a encontrar innovaciones en los procesos de metalmecánica. Fundado a mediados de 2006 por Mori Seiki, el MTL maneja alianzas entre el constructor de máquinas-herramienta y varios fabricantes de herramientas o de diversas partes. Localizado en las instalaciones del constructor en Estados Unidos y Japón, el MTL permite a estos socios explorar sistemáticamente nuevos conceptos, posibles por avances en el diseño de la máquina-herramienta. Como lo expresa Grez Hyatt, técnico jefe de MTL en Rolling Meadows, Illinois, Estados Unidos, “las alianzas crean la oportunidad de encontrar más innovaciones de las que podríamos trabajar por separado de manera tradicional”. Así, juntar la experiencia del constructor de máquinas-herramienta y del fabricante de herramientas de corte acelera el desarrollo de tecnologías auxiliares que mejoran el desempeño de la máquina.

Según Hyatt, MTL se fundó con la idea de la tecnología disruptiva en mente. Este pensamiento incluía la casi herética noción acerca de que una buena forma para salir del negocio, es escuchar muy atentamente lo que los clientes dicen necesitar. Por supuesto, escuchar al cliente es valioso, comenta Hyatt, pero esta entrada lleva sólo a oportunidades tácticas de corto plazo. “El beneficio real de escuchar a los clientes, es encontrar lo que no pensaron pedir”, afirma. Esas necesidades desarticuladas, aquellas demasiado irracionales para pedirlas, llevan, en sus palabras, a una “tecnología de misión imposible, que cuando se comercializa, tiene el potencial de ser tan obligatoria para los usuarios que reemplaza a proveedores de soluciones normales”.

Después de casi un año en operación, MTL ha generado un gran número de desarrollos que ahora se encuentran en el mercado. Muchos están en camino. Además, el laboratorio persigue líneas completamente nuevas de pensamiento sobre principios básicos de mecanizado, con base en sus observaciones de la termodinámica del proceso de corte. Este esfuerzo puede llevar a nuevas fórmulas que calcularán la vida de la herramienta con más precisión y ayudarán a identificar oportunidades para aumentar aún más las ganancias por productividad.

Así como los fabricantes de autos muestran sus avances en concepto para la comercialización de nueva tecnología, MTL comparte algunos de sus desarrollos principales aquí. Qué tan ‘disruptivas’ serán estas tecnologías no está aún claro. Que recurren a la imaginación ya es evidente.

Una herramienta de torneado que gira
Esta tecnología, desarrollada en conjunto con Kennametal, toma ventaja del herramental vivo en una máquina-herramienta multitarea para operaciones de torneado. Es llamada la “herramienta giratoria”. Montada en un bolsillo de herramental vivo en la torreta de herramientas o en el husillo de fresado de un cabezal rotatorio, esta herramienta de torneado con forma de botón rota mientras entra en el diámetro externo de una pieza de trabajo, que rota en el mandril o entre centros. A diferencia de una herramienta de torneado de punto único, las fuerzas de corte están alineadas más axial que radialmente (véase la figura) . Así, las fuerzas de corte empujan principalmente contra el husillo o la torreta de herramientas, la cual tiene más masa y rigidez que el portaherramientas insertado. Esto hace el corte inherentemente más estable y resistente a la vibración.

Girar rápidamente la herramienta dispersa el calor del corte alrededor de la superficie del inserto. Más que concentrarse en el filo de corte, el calor se disipa. Además de proveer a los usuarios la opción de desarrollar el mecanizado en seco, esto permite cortar con la velocidad usual multiplicada por tres. El desgaste de la herramienta también se dispersa. Como resultado, afirma la compañía, las tasas de remoción de metal son cinco veces más altas y la vida de la herramienta es 20 veces más larga. Se eliminan las muescas de la profundidad de corte, de modo que se obtienen acabados superficiales más finos, tanto en desbaste como en acabado. La capacidad de aplicar velocidades y avances pesados promueve cortes eficientes de materiales duros, como las aleaciones con base de níquel y otras de alta temperatura.

El torneado de desbaste obtiene un despegue
La herramienta giratoria descrita es un buen ejemplo de cómo la capacidad de fresado puede explotarse en formas diferentes para mejorar las operaciones de torneado. La máquina integrada para fresado-torneado posibilita estas técnicas. La capacidad de fresado-torneado también permite una técnica de torneado robusta que MTL llama ‘nitrofresado’. El nitrofresado es considerado por los investigadores como un incremento explosivo en la productividad de desbaste.

La foto muestra un cortador fresa avanzando a lo largo del eje de torneado en línea (X), mientras la pieza de trabajo rota en el mandril del torno. Lo que hace este proceso tan productivo es que la pieza de trabajo puede rotar en el mandril a velocidades suficientemente rápidas para las operaciones de torneado. Para el cortador tipo fresa, el movimiento relativo del mandril es el mismo que el de una tasa de avance muy alta en un eje lineal. Esto permite que la velocidad (rpm) de husillo del cortador sea incrementada sustancialmente, sin riesgo de que la velocidad superficial exceda las recomendaciones para los insertos. El resultado es, como mínimo, el doble de las tasas de remoción de metal.

Además de las altas tasas de remoción de metal, el nitrofresado produce virutas cortas y fracturadas en lugar de las virutas largas y continuas del torneado, que pueden enredarse como un problemático “nido de aves”. La vida de la herramienta también se incrementa. El desgaste se distribuye uniformemente entre todos los insertos en el cortador fresa (efecto similar a una ventaja de la herramienta giratoria descrita). Ya que ningún filo único del inserto está en contacto con la pieza de trabajo durante largo tiempo, el calor no se acumula hasta niveles excesivos y peligrosos. Según Hyatt, el nitrofresado puede resultar en un incremento cuádruple de la vida de la herramienta.

Aún hay un beneficio más notorio por mencionar. Ya que el cortador fresa y la pieza de trabajo rotan en direcciones opuestas, la fuerza de corte radial contribuida por el husillo de fresado puede recuperarse con una herramienta de torneado estática adecuada. Montada en la torreta más baja opuesta al cortador fresa, la herramienta estática provee más productividad porque añade capacidad de remoción de metal, pero no requiere potencia adicional de los motores del husillo.

Pensando teóricamente
Experimentos con la “herramienta giratoria” y el nitrofresado llevaron a MTL a observar algunos aspectos de la termodinámica pasados por alto en los procesos de mecanizado. Por ejemplo, los investigadores notaron que ambos conceptos de herramental involucran un contacto intermitente entre los filos de corte y la pieza de trabajo. Este contacto intermitente es posible porque el fresado y el torneado pueden combinarse en una aplicación. El calor generado por fuerzas de corte puede disiparse cuando los filos se mueven hacia dentro y hacia fuera de la zona de corte.

Las fórmulas actuales para calcular la vida de la herramienta en operaciones de torneado, asumen que el contacto entre los filos de corte y la pieza de trabajo es continuo. Ahora, MTL trabaja en fórmulas para tener en cuenta los efectos del corte intermitente en el calor, como una variable clave. Hyatt cree que la investigación de MTL en los principios fundamentales del mecanizado podría, en últimas, representar la mayor contribución del laboratorio a la ciencia de metalmecánica.

Sin embargo, el enfoque en desarrollos prácticos que aumenten el desempeño del mecanizado es el principal trabajo de MTL. Los ejemplos incluyen los siguientes:

Acto de balanceo
La ventaja de una máquina integrada fresa-torno es la capacidad para fresar y tornear una pieza de trabajo en un solo alistamiento. Sin embargo, el fresado cambia generalmente el balance de una pieza de trabajo. Fresar porciones por separado puede dejar un lado o el otro con mayor masa. Como consecuencia, rotar esta parte desbalanceada en el mandril para las operaciones de torneado provoca vibración del husillo. Para prevenir que la vibración excesiva dañe el husillo y la herramienta de corte, el usuario debe desacelerar el husillo, sacrificando así productividad y comprometiendo parámetros óptimos de mecanizado.

Un “balanceador adaptativo” alivia esta situación al ajustar automáticamente los cambios en el balance de la pieza de trabajo. Él permite un torneado más estable y libre de vibración a mayores velocidades de husillo, de modo que la máquina-herramienta ofrece más capacidad de fresado-torneado.

En esencia, el balanceador crea su propio desbalance en el punto necesario para separar el desequilibrio en la pieza de trabajo. El balanceador se une al mandril y rota junto con la parte. A medida que el desbalance en la pieza de trabajo cambia, el balanceador utiliza en su interior dos anillos independientes, con contrapeso, para compensar. Cuando los contrapesos se ubican en lados opuestos (180° el uno del otro), están balanceados naturalmente durante la rotación. Cuando los contrapesos se alejan de su posición neutral, su relación angular cambia. La fuerza y dirección del desbalance resultante puede ajustarse para oponerse a la fuerza y dirección del error de balance en la pieza de trabajo, de modo que se cancelen. Con menos posibilidad de vibración, la velocidad de husillo puede incrementarse para permitir condiciones óptimas de corte y mayor productividad. Reducir la vibración también mejora el acabado superficial y prolonga la vida de la herramienta.

Además de compensar piezas de trabajo desbalanceadas, el balanceador puede usarse para medir la cantidad de error en el balance. Así, el material puede retirarse selectivamente para balancear la pieza de trabajo mientras está en la máquina. Esto elimina pasos de medición por separado y remecanizado en otro alistamiento.

Llamémosla ‘wetrology’
El “medidor de agua” crea una nueva opción para medir ciertas características críticas de la pieza de trabajo mientras está en la máquina. El concepto es utilizar chorros de alta presión (1000 psi) de refrigerante dirigidos a las superficies de la pieza de trabajo. Calculando la presión de contracorriente, el medidor de agua entrega una lectura de las dimensiones de la parte, como tamaño del agujero, diámetro exterior y cono, casi en la misma forma que un medidor de aire.

Al igual que la medición de aire, la medición con agua es rápida, confiable y precisa. Pero la medición con agua tiene varias ventajas sobre la de aire. Un medidor de agua puede capturar mediciones en incrementos de submicras y lograr repetibilidad de 2 micras. La presión del refrigerante sopla las virutas y lava las superficies por medir. Y puesto que el medidor de agua usa líneas de refrigerante ya incorporadas en el husillo, es flexible y económico.

Un medidor de agua puede configurarse como uno de tipo tapón para agujeros y diámetros internos, como un tenedor para diámetros internos y conos, y como un anillo. Aunque el medidor debe dimensionarse y configurarse para medir una característica de una parte dada, el mismo aumentador de presión, el lector y el juego de electrónica auxiliar, trabajan con múltiples medidores de agua.

Al igual que cualquier sistema de inspección en proceso, la medición con agua puede tener un impacto en el tiempo de ciclo y en la utilización de máquina. Sin embargo, obtener una retroalimentación inmediata es retorno porque los usuarios pueden responder más rápido a problemas que pueden llevar a condiciones fuera de tolerancia. El sistema también previene tiempos muertos, que pueden ocurrir cuando se retrasan los resultados de la inspección de partes fuera de línea. En algunos casos, un medidor de agua instalado en un subhusillo puede capturar mediciones mientras el mecanizado toma lugar en el husillo principal. Así, medir en la máquina no representa tiempo parasitario.

Ruedas (de rectificar) de la fortuna
Ya que Mori Seiki tiene una torreta de herramientas con un motor de husillo integral para alimentar estaciones de herramental vivo, las ruedas de rectificar montadas en la torreta pueden proporcionar operaciones de rectificado casi libres de vibración, afirman los desarrolladores. Esto posibilita realizar rectificado de alta precisión junto con el fresado y el torneado. Una posibilidad que se está explorando es renombrar los filos de corte de los insertos de torneado sin retirar la herramienta de la máquina. Otra posibilidad consiste en reafilar las puntas de las brocas helicoidales y de otras herramientas de corte dentro de la máquina.

Para los filos de insertos, el concepto equivale a reacondicionar una rueda de rectificar con una punta o rodillo de diamante. Aunque la rueda de rectificar se consume gradualmente, el reacondicionamiento periódico restituye la superficie de corte libre y la precisión del perfil hasta una condición de nueva. MTL espera un beneficio similar para el torneado. Por ejemplo, ‘reacondicionar’ el filo del inserto con un ciclo de rectificado permite que el inserto mantenga una geometría limpia y una preparación del filo capaz de producir tamaños y acabados de parte comparables con una rectificadora. Por lo general, el desgaste normal del inserto evita que las operaciones de torneado logren estos resultados con una base consistente y sostenida. Reacondicionar el inserto invertiría esa limitación. De acuerdo con Hyatt, el ciclo de rectificado removería sólo unas pocas micras y se sincronizaría con todo cambio de herramienta o antes de cortes críticos de acabado. Así, un inserto podría mantener acabados de superficies constantes durante su vida útil.

Hyatt afirma que un sistema en el cual las herramientas de corte pueden renovarse o reafilarse automáticamente, sin ser retiradas de la máquina, tiene enormes implicaciones para el mecanizado desatendido. Es concebible que una máquina-herramienta pueda operar continuamente sin intervención del operador durante semanas y semanas.

Al mercado, al mercado
Hyatt afirma que el éxito de MTL sería juzgado por la aceptación de sus desarrollos en el mercado. Por esta razón, la comercialización ha sido parte de la planeación básica del proyecto. El balanceador adaptativo y el medidor de agua están listos para salir al mercado, seguidos de cerca por la herramienta giratoria. Donde sea apropiada, la protección de patente para estos desarrollos ha sido asegurada o se ha solicitado. La nueva tecnología del laboratorio estará disponible por medio de licencias concedidas como parte de acuerdos de compra de máquinas-herramienta.

Este compromiso con la comercialización se devuelve al concepto de tecnología disruptiva, parte de la inspiración original de MTL. Los usuarios potenciales de los centros integrados de fresado y torneado, tornos multipropósito con múltiples husillos y torretas de herramientas, además de otros diseños de máquinas-herramienta avanzados, pueden excluirlos por su complejidad y su desconocimiento. Esta cautela puede superarse por el obligado valor que estas máquinas representan como recursos de productividad. MTL busca nivelar la flexibilidad y capacidad de estas máquinas con conceptos innovadores de herramientas de corte para mejorar el valor de las máquinas al usuario.

Es segura la mayor aceptación de estas máquinas, en las que el laboratorio desarrolla capacidades exclusivas de los diseños de máquinas-herramienta propios de la compañía, que auguran lo mejor para este fabricante. Como anota Hyatt, Mori Seiki quiere ver que su máquina sea una de las que desplazan la tecnología existente. “Estamos todos a favor de esta clase de disrupción”, afirma.

©Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.