Sistema modular tipo pinza mantiene la concentricidad

En la constante búsqueda para obtener mayor eficiencia en el trabajo de los metales, se encuentran dos factores con efectos importantes en las aplicaciones actuales de sujeción de piezas. Por una parte, mientras los diseñadores han reducido continuamente las dimensiones de muchos tipos de piezas, la demanda de fijaciones de alta densidad ha crecido. Por otra parte, la disminución en los niveles de intervención humana es fundamental en la búsqueda de procesos totalmente automatizados, esenciales para competir en una economía globalizada. Esto ha llevado a los talleres de mecanizado a reducir el número de pasos manuales requeridos para varias operaciones metalmecánicas. La eficiencia también exige que estos montajes se completen más rápidamente y con menor esfuerzo del operario.

En primer lugar, un sistema de sujeción de piezas de alta densidad es evaluado en términos del número de piezas y tamaños que pueda aceptar en un solo montaje. Adicionalmente, los factores cruciales de desempeño, como la resistencia a la deflexión y la ausencia de castañeo durante el mecanizado, son tomados en consideración. Sin embargo, cuando se migra de un sistema de fijación convencional de piezas a un sistema alternativo, la mayor exactitud obtenida en el posicionamiento de las piezas, por lo general no se incluye entre los beneficios anticipados.

Pero una mejor exactitud era precisamente el propósito que perseguía la empresa American Turned Products cuando instaló un nuevo sistema de sujeción multipiezas. Fabricado por Lexair, este sistema se compone de grupos modulares de sujeciones tipo pinza, accionadas hidráulicamente, que pueden ser organizadas en una gran variedad de configuraciones. La planta que la compañía tiene en Fairview actualmente utiliza este sistema para sujetar las piezas cilíndricas que fabrica, destinadas a airbags para automóviles.

Preparados para altos volúmenes
American Turned Products es una compañía estadounidense que opera dos plantas en las vecindades de Erie, Pensilvania, y en una planta en El Paso, Texas. La empresa emplea, aproximadamente, 100 personas en sus instalaciones de Fairview. Esta planta de producción de alto volumen opera 24 horas al día, 7 días a la semana.

Reconociendo la importancia de mantener una fuerza de trabajo altamente capacitada, la compañía fue uno de los primeros fabricantes en Pensilvania que implementó un programa extensivo de capacitación basado en los estándares desarrollados por el National Institute of Metalworking Skills (NIMS). En conjunto con un centro regional de entrenamiento, la compañía proporciona varios niveles de instrucción para permitir que sus empleados obtengan certificación de sus destrezas.

Especializada en producción a gran escala para algunos prominentes clientes industriales, American Turned Products no se acomoda a la definición de un taller de servicios. Aproximadamente, 70% de su trabajo está dirigido a clientes de la industria automotriz, mientras el balance de los negocios de la compañía es la producción de piezas para fabricantes de otros equipos, válvulas hidráulicas y bombas.

Como su nombre lo indica, la compañía produce muchos tipos de pequeñas piezas torneadas. Por tanto, los equipos de la planta de Fairview son máquinas rotativas transfer Hydromat, máquinas CNC para barras y de mandril, y tornos CNC multihusillo. Pero la planta también produce piezas grandes y realiza una cantidad sustancial de trabajo de fresado. Por ejemplo, aunque los componentes de airbags son piezas redondas, se producen totalmente por fresado y no por torneado. Por el momento y para producir estas piezas, la planta de Fairview utiliza centros de mecanizado horizontales al igual que centros de mecanizado verticales Fadal y Chiron.

El dilema de las piezas redondas
El posicionamiento preciso de piezas redondas requiere un enfoque de sujeción fundamentalmente distinto del empleado para formas rectangulares o poligonales. Como los puntos en que las piezas redondas hacen contacto con sus sistemas de fijación son tan pequeños, el posicionamiento preciso de la línea central de la pieza puede ser muy difícil. Esto es así porque las variaciones de redondez o las imperfecciones superficiales en los puntos de contacto pueden desplazar suficientemente la localización de la línea central para crear conflictos de tolerancias.

Como el nuevo sistema de sujeción de piezas de la planta incorpora pinzas que distribuyen la fuerza de sujeción alrededor de la pieza completa, el posicionamiento es más preciso que el de una fijación de localización de tipo convencional. Esto resulta especialmente importante porque esos componentes de airbags son mecanizados a partir de acero 9310 extruido. Con respecto a esta situación, el ingeniero de manufactura de la planta de Fairview, Art Sider, comenta: "Antes de adquirir el nuevo sistema de fijación de piezas, utilizábamos fijaciones con forma de V que localizaban el diámetro de la pieza. Con este montaje, cualquier variación en el diámetro de la pieza extruida afectaba la verdadera línea central de la pieza. Con el sistema de pinza, estamos en la capacidad de mecanizar cada pieza en su centro".

La fabricación de los componentes de airbags requiere dos montajes para fresar cada pieza en lados opuestos con los centros horizontales de mecanizado de la planta. Para este propósito, Lexair proporcionó un sistema de sujeción que fija los módulos de pinza a fijaciones pivotantes, de doble lado, tipo lápida. Esto le permite al taller hacer más expedito su flujo de producción, moviendo rápidamente las piezas entre las sucesivas operaciones de mecanizado.

Sider también está impresionado por la eficiencia lograda en los montajes con este nuevo sistema. "Hemos experimentado una reducción aproximada de 50% en el tiempo de alistamiento, comparado con nuestro método manual anterior de fijación". Diseñado para sostener las piezas de una manera segura cuando la presión está presente en el sistema, permite que los cierres de pinza de doble acción sean rápidamente liberados mediante una manija de desconexión del pallet. Esto elimina mucho esfuerzo físico asociado con el repetido ajuste a mano de los sistemas de fijación convencionales. El sistema también representa una importante ventaja en el ambiente de alta producción de la planta de Fairview.

Este sistema puede ser operado con potencia hidráulica o neumática, según el nivel requerido de fuerza. Aunque American Turned Products utiliza un sistema con una capacidad máxima de pinza de 1,625" de diámetro, el fabricante puede proporcionar sus cierres de pinza estándar en capacidades que van desde 0,25" hasta 3,5". También existen cierres de mandril por pasos, que aumentan la capacidad en diámetro hasta valores de 6".

Aplicaciones alternativas
Aunque la compañía ha dedicado el sistema de pinza a sus operaciones de mecanizado de las piezas de airbags, Sider cree que este taller encontrará aplicaciones adicionales en el futuro. En particular, anticipa que este sistema será útil en una gran variedad de operaciones secundarias para otros tipos de piezas redondas. En el presente, sin embargo, el sistema le permite a American Turned Products agregar valor a una de sus piezas más importantes, ya que le ofrece al cliente una mayor calidad. Al tiempo que la calidad mejora, la compañía elimina una cantidad significativa de labor en su proceso total. En el mundo moderno de la metalmecánica, este tipo de ganancias representa una combinación de logros.

Fundamentos de la sujeción de piezas
Como parte del programa de entrenamiento con Kennametal University (que pertenece a la empresa fabricante de herramientas de corte Kennametal Inc.) se instruye a los estudiantes en los fundamentos de montajes para sujeción de piezas. El siguiente es el resumen de algunos principios fundamentales preparados para este curso por los ingenieros de Kennametal, Ruy Frota y T. J. Long.

Tres tipos de fijaciones para sujeción de piezas son utilizados en operaciones metalmecánicas. Es el caso de las fijaciones de propósito general que incorporan componentes estándar reutilizables. Estas fijaciones son recomendadas para lotes pequeños y para la producción de prototipos. Las fijaciones modulares incorporan componentes estándar pero también tienen la flexibilidad de ser usados en la producción de lotes variados de piezas, como los típicos de la industria aeroespacial. Las fijaciones dedicadas son dispositivos más complejos, diseñados para soportar piezas específicas en aplicaciones de producción en masa, como la fabricación de piezas automotrices. En general, las fijaciones dedicadas son más costosas de diseñar y fabricar que las fijaciones modulares y también resultan más difíciles de ensamblar y desensamblar.

Generalmente, las fijaciones para sujeción de piezas incorporan varios componentes como platinas ajustables en ángulo, paralelas y bloques para restringir diversos tipos y formas de piezas de trabajo. Estos componentes normalmente se fijan a subplatinas, platinas base o lápidas mediante una grilla de alineamiento, con orificios de montaje que permiten la sujeción de varias piezas. Adicionalmente, las fijaciones pueden incorporar componentes como pines de localización, localizadores tipo V, localizadores redondos, de borde y placas de respaldo.

Los fijadores son usados para sostener las piezas contra los diferentes dispositivos de localización del sistema de fijación. Estos fijadores pueden ser mecánicos, de cinta o laterales, tipo palanca o articulado, neumáticos o hidráulicos. La configuración de fijación precisa y la secuencia para una determinada pieza de trabajo dependen de muchos factores, como la rigidez de la pieza de trabajo y sus esfuerzos inherentes, el número y posición de localizadores y las fuerzas de fijación aplicadas. Sin embargo, en general, las fijaciones y los localizadores deben ser colocados tan lejos de la pieza como sea práctico. Las fijaciones también deben ser posicionadas sobre los localizadores u otros soportes para eliminar la distorsión de las piezas por acción de las fuerzas de fijación.

Aunque el aumento del número de elementos de contacto en una fijación particular para sujeción de piezas de trabajo reduce las fuerzas de reacción durante el mecanizado, las fijaciones no necesariamente deben incluir localizadores redundantes. Esta práctica puede conducir a errores de posicionamiento, debidos a imperfecciones en la superficie de la pieza de trabajo. Una buena analogía para esta circunstancia es el hecho conocido de que una mesa con tres patas será más estable al ser colocada sobre una superficie irregular, que una con cuatro patas. Por tanto, uno de los montajes de sujeción de piezas más común y eficiente para piezas rígidas y planas es el método 3-2-1, como se ve en el Gráfico 1.

Para lograr montajes óptimos en sujeción de piezas es necesario aplicar suficiente fuerza de fijación para soportar las fuerzas máximas de corte, sin que se presente una deformación significativa de la pieza de trabajo. Como la aplicación de mayores fuerzas de fijación no necesariamente proporciona mayor estabilidad, es importante obtener un balance apropiado entre los valores de rigidez y amortiguamiento.

Los estudios llevados a cabo en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign (Gráfico 2), muestran que estas dos propiedades están inversamente relacionadas con el nivel de la fuerza de fijación. Por tanto, si las fuerzas de fijación no son consistentes de una pieza a otra, las variaciones en el valor de amortiguamiento pueden producir diferentes grados de vibración que afectan el acabado superficial o que posiblemente generan castañeo.

Por estas razones, un sistema de fijación potenciado puede proporcionar las características indispensables para eliminar la necesidad de introducir variaciones en un montaje particular de sujeción de piezas. Por ejemplo, los fijadores de potencia pueden ser activados en una secuencia específica o equipados con dispositivos de medición que indiquen de una manera precisa los niveles de fuerza de fijación. Estas características les permiten a los operadores hacer montajes repetibles para fijación de piezas.

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