Mejoramiento de la velocidad del mecanizado

Jerry Halley, vicepresidente de ingeniería de Tech Manufacturing en Wright City, Missouri, tiene tres reglas básicas para mecanizar una pieza con mecanizado de alta velocidad. Estas reglas son:

1. Cortar a pequeñas profundidades axiales de corte y hacer esos cortes tan rápido como se pueda.
2. Asegurar que el trabajo esté tan rígido como se pueda en el sitio donde esté cortando.
3. Una vez se ha cortado un detalle, que no regrese a ese detalle otra vez.

Retorno: predictibilidad
Halley trabajó alguna vez para Boeing. Durante la década anterior, él fue parte de un grupo de ingenieros de manufactura en las instalaciones de la compañía en St. Louis, que hacía más capaces y productivas las máquinas fresadoras de altas rpm, al aplicar en su uso disciplinas de mecanizado de alta velocidad.

En ese contexto –esto es, fresar formas estructurales de aviones a partir de bloques sólidos de aluminio y titanio–, el mecanizado de alta velocidad tiene un significado específico relacionado con la vibración y el ruido. Los centros de mecanizado de mayores rpm tienen la tendencia a la vibración con ruido, y eso puede limitar la productividad de la máquina en aplicaciones de alta remoción de metal. Sin embargo, entender ese fenómeno también puede facilitar el logro de una tasa de remoción de metal alta si el taller encuentra la velocidad de husillo a la cual el proceso de fresado permanece silencioso a rpm relativamente altas. Estas velocidades óptimas son diferentes para cualquier combinación de herramienta y husillo.

Encontrar las velocidades óptimas y aplicar disciplinas como las mencionadas, le permitió a la gente de Boeing hacer sus máquinas no sólo más productivas sino también más capaces de disminuir el costo y el peso de partes de aeronaves al mecanizar paredes delgadas y pisos de manera productiva.

Ahora, como copropietario de Tech Manufacturing, un taller de trabajos que ha atendido a la industria aeroespacial por más de 50 años, Halley aplica las disciplinas de mecanizado de alta velocidad a casi cualquier pieza de avión mecanizada en alguno de los centros de mecanizado de cinco y tres ejes del taller. Con menos de 50 empleados y una docena de máquinas CNC, él dice que su taller bien puede ser el más pequeño dedicado a mecanizado de alta velocidad. Estrictamente, en cuanto a las velocidades tope de sus equipos, su taller también puede ser el más lento dedicado al mecanizado de alta velocidad.

La velocidad (o falta de ella) no necesariamente importa. Mire nuevamente las reglas citadas arriba. Ellas no requieren una velocidad en particular. La regla de ‘tan rápido como pueda’ es posible aplicarla todavía, incluso si esta no es particularmente acelerada.

La mayoría de los centros de mecanizado de cinco ejes de Tech Manufacturing están limitados a una velocidad de 4000 rpm. Aunque el taller ha mantenido las máquinas bien y aún son muy útiles, son máquinas viejas. A las velocidades que ellas pueden alcanzar, no existe la oprtunidad de lograr una productividad drásticamente mayor al encontrar una velocidad de husillo especialmente libre de ruido. Sin embargo, las disciplinas y procedimientos relacionados con el mecanizado de alta velocidad todavía pueden aplicarse en estas máquinas –y Halley las aplica.

El año pasado se logró un buen retorno de la inversión cuando el taller adquirió su nueva máquina de cinco ejes –un perfilador HPS 120B/5 de SNK America que alcanza 15000 rpm–. Mediante una prueba de análisis de vibraciones con el sistema MetalMax de Manufacturing Laboratories Inc., Halley midió las características de respuesta de frecuencia de esta máquina para determinar sus velocidades de husillo ideales para alta productividad para varias herramientas estándar del taller. Con esta información él determinó nuevas velocidades, tasas de avance y profundidades de corte para correr programas en la máquina, pero no tuvo que cambiar ningún patrón de herramienta. Los patrones de herramientas en el mecanizado de alta velocidad que estaban siendo ejecutados productivamente en las viejas máquinas ahora podían correrse con más productividad aún en la nueva máquina, que comenzó a entregar dividendos para el taller casi tan pronto como llegó.

Pero este retorno no era esencial, comenta Halley. El mecanizado de alta velocidad continuaría siendo útil para el taller, así la nueva máquina nunca hubiera llegado. Mientras la expresión ‘mecanizado de alta velocidad’ puede ser un poco equivocada cuando la velocidad es baja, mecanizar en las formas observadas en estas disciplinas provee beneficios relacionados con la consistencia del proceso y la predictibilidad. Según Halley y el resto de Tech Manufacturing, el mecanizado de alta velocidad provee valor agregado, incluso cuando la velocidad no está allí.

Eliminar variables
De hecho, las disciplinas del mecanizado de alta velocidad no giran alrededor de alguna velocidad en particular, ya que se trata de optimizarlas.

La solución típica para mecanizar componentes estructurales de aviones y otras partes con alta remoción de material es, más o menos, así: la operación de desbaste ocurre rápidamente, pues se retira bastante material con una herramienta grande. Luego, la operación de acabado toma tiempo más considerable, pues se cortan características críticas en pequeñas capas para asegurar la precisión. Invariablemente, la vibración le agrega incertidumbre a los pases finales, ya que un factor o el otro afecta la estabilidad dinámica del proceso en ese momento particular de ese día específico.

Un proceso efectivo de mecanizado de alta velocidad limita tanto las variables, que las remanentes pueden optimizarse por completo para hacer el corte tan estable y productivo como sea posible. La elección no es necesariamente buena, porque una vasta gama de elecciones hace el proceso muy difícil de controlar.

Por ejemplo, el número de herramientas de fresado disponibles en el taller es deliberadamente limitado a una pequeña cantidad. En Tech Manufacturing, sólo cuatro estilos estándar de escariadores hacen la mayoría del trabajo del taller. Las longitudes de herramienta también están limitadas. Todas las herramientas se encuentran ajustadas a una longitud calibrada estándar. No se necesita una sonda de ajuste de las herramientas, porque la longitud calibrada de herramienta es un valor fijo en este proceso.

La razón por la que la alta velocidad de husillo va mano a mano con esta clase de disciplina es que unas pequeñas variaciones en el proceso pueden tener efectos pronunciados en la respuesta dinámica del sistema. Las velocidades de husillo, especiales para alta productividad, que el taller ha conseguido para su nueva máquina, sólo permanecerán constantes si la física del proceso también se mantiene constante.

A aceleraciones más bajas, puede no ser posible encontrar estas velocidades especiales. Sin embargo, la vibración con ruido sigue siendo un peligro. Aquí, la consistencia del proceso posibilita afinar los parámetros de corte para minimizar la vibración con ruido que se produce. A bajas velocidades, el proceso resultante probablemente no es más o menos productivo, en función de tiempo de ciclo, cuando se compara con un proceso más típico. Pero el proceso controlado cuidadosamente ofrece un mejor acabado superficial y hace menos necesario el desbarbado.

Halley dice que ahora hay otra forma importante para que el proceso disciplinado reduzca el número de variables: eliminar la distinción entre el desbaste y el acabado. En el mecanizado de alta velocidad simplemente hay pases de fresado. Si el corte es suficientemente estable, entonces el tipo de pase que retira material del centro de un bolsillo también puede ser el mismo que mecaniza la pared del bolsillo hasta su estado final.

Técnica del patrón de herramientas
La estabilidad también guía la forma como se escogen los patrones de herramientas en el mecanizado de alta velocidad. Una vez se mecaniza una característica o detalle, no se vuelve a tocar (véase regla 3). Por eso, si el cortador deja una característica flexible atrás de él, cuando termina el corte de una región particular, esto no debería importar. Sin embargo, la característica que está siendo cortada debería preservar suficiente material en sitios estratégicos para soportar

la característica cuando emerge del material mecanizado. Eliminar la distinción entre desbaste y acabado puede ayudar con esto, porque la cantidad de material dejada para el pase final permanece, de cierto modo, grande. Una pared delgada, por ejemplo, puede permanecer soportada en ambos lados por una envoltura de material pesado que se mecaniza primero en un lado y luego en el otro, en incrementos alternados durante todo el camino hasta llegar al final.

Metodologías como esta toman sentido una vez se entiende la necesidad de mantener la rigidez, comenta Halley. Sin embargo, el reto de aplicar metodologías de mecanizado de alta velocidad consiste en que el software CAM tiende a no soportarlas. Los patrones de herramienta generados automáticamente tienden a mecanizar un volumen particular en un patrón que sólo es conveniente matemáticamente, sin holguras para la deflexión o la dinámica del sistema. Un ejemplo es la forma en que Tech Manufacturing mecaniza un piso delgado no soportado.

Para la rigidez, la mejor solución es mecanizar hacia abajo, todo hasta el piso, en una sola capa vertical; luego, saltar hacia arriba y mecanizar hacia abajo, todo hasta el piso, en una capa vertical adyacente, y seguir así. En contraste, el software de programación del taller no ofrece la opción de mecanizar de esta forma características como los bolsillos. Sus patrones de herramientas, generados automáticamente, mecanizan el volumen en incrementos horizontales –fresando la forma completa de la característica, una capa horizontal tras otra–. Por eso, los programadores tienen que manipular manualmente la generación automática del patrón de herramienta, tratando cada incremento vertical como una operación de mecanizado separada. Manipulaciones como esta producen un programa de mecanizado más consistente y predecible, que finalmente ahorra los problemas en planta, aun a bajas velocidades (pero las manipulaciones generan un mayor tiempo de programación).

De hecho, la cantidad de tiempo requerido de programación para partes mecanizadas a alta velocidad representa un reto al usar efectivamente el nuevo perfilado de mayor velocidad. La máquina acelera con las partes, pero el tiempo extra requerido para la programación crea el peligro de que la máquina se quede esperando por un programa si el taller no es cuidadoso en la forma como acondiciona la máquina.

¿Puede lo mejor ser peor?
El nuevo perfilador es fácilmente la máquina más productiva en el taller. El taller complementa los cortos tiempos de ciclo de la máquina con cortos tiempos de alistamiento, que se logran mediante dispositivos de sujeción de trabajos autobloqueantes y autolocalizables de BIG Kaiser (véase foto). En las velocidades de corte libres de vibración ruidosa, que el taller ha encontrado para esta máquina, el perfilador sobresale con los programas de mecanizado de alta velocidad que ya han sido probados en las máquinas más lentas de cinco ejes.

Halley desarrolló una prueba de respuesta de frecuencia en esta máquina antes que el taller la comprara. Con el sistema MetalMax mencionado evaluó cada máquina que el taller consideró. Tan familiarizado como está él con el impacto y la importancia de las características dinámicas de una máquina, previó que comprar una máquina sin este análisis era como comprar un carro sin prueba de manejo. Uno de los principales objetivos que buscaba era consistencia en las características de vibración a lo largo de la gama de velocidades de la máquina. Si no había tal consistencia, eso significaría que la dinámica de la máquina cambiaba fundamentalmente cuando variaba la velocidad (situación que dificultaría encontrar y mantener velocidades óptimas).

La máquina tiene que mantenerse operando de forma productiva porque representa una gran inversión para el taller. Una hora perdida es una hora menos para el pago de la máquina, afirma Halley. Ahora, el taller está listo para hacer de nuevo esta inversión. Aunque la máquina puede ser la más cara del taller, también es la que menos requiere en función de horas-hombre. Cuando el taller compre un segundo perfilador, las dos máquinas se convertirán en una celda de mecanizado de alta velocidad, que también incluirá una estación de desbarbado. Dos empleados serán suficientes para atender esta celda: “Un maquinista experimentado, más un empleado sin experiencia, que adquirirá las habilidades con el tiempo al trabajar junto al más experimentado”, comenta Halley.

El segundo perfilador será como el primero. De hecho, necesita ser idéntico, de modo que todos los esfuerzos en optimización puedan ser clara e inmediatamente aplicados a la nueva máquina. Cualquier elemento adicional implica variaciones, lo cual impediría que el taller aplique efectivamente el mecanizado de alta velocidad. Según Halley, el taller no aceptaría la segunda máquina, incluso si fuera un poco mejor.

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