Tips para sacar el máximo provecho en el tiempo de ciclo

En la carrera por la competitividad en la fabricación de piezas cada vez más complejas, en cuanto a tolerancias dimensionales y a los materiales que las componen, existe una elevada tendencia al uso de máquinas con la capacidad de trabajar en más caras del producto, incluso de manera simultánea, con el fin último de reducir el tiempo y el costo de fabricación.

Los fabricantes de máquinas ofrecen múltiples opciones que incluyen centros de mecanizado vertical, horizontal, fresadoras basadas en torno e, incluso, máquinas con capacidad de torneado basadas en estructuras inicialmente diseñadas para el fresado. El desarrollo en los sistemas de control de las máquinas permite el manejo de múltiples ejes en simultáneo sobre la misma pieza. La frontera entre las máquinas que solo rotaban la pieza (tornos) y las que rotaban la herramienta únicamente (fresadoras, taladros, etc.), se está desvaneciendo. Hablar de máquinas de 8, 10 o 12 ejes hoy en dí­a, no es poco común.

Sin embargo, toda esta reciente capacidad cinemática resulta en complejidades mayores desde el punto de vista de la planeación del proceso. En este artí­culo se discutirán algunos de los aspectos fundamentales a tener en cuenta a la hora de mecanizar con máquinas multiejes.

Primero lo primero. 4, 5, 10, y 12 ejes: ¿De qué estamos hablando allí­?

Una geometrí­a en tres dimensiones se puede identificar completamente a través de la definición de trayectorias usando los tres ejes coordenados X, Y y Z. Gracias al control de trayectoria de una máquina CNC se pueden realizar movimientos con mí­nimo dos ejes controlados simultáneamente para interpolarse. Interpolar ejes significa que los movimientos, inicialmente independientes de cada uno, se sincronizan de tal manera que la punta de herramienta sigue la trayectoria programada de la manera más exacta posible. En dos dimensiones el control de trayectoria puede seguir cualquier contorno usando dos ejes determinados. Esto es normalmente suficiente en máquinas de torneado, debido a que la pieza genera su tercera dimensión gracias al movimiento rotativo de la pieza. Si el usuario puede escoger un eje controlado adicional que se mueva entre los otros dos interpolados, se habla de un control de trayectoria 2 ½ D. Esto permite, por ejemplo, crear cavidades que se profundizan capa a capa en el eje Z, a partir de perfiles geométricos creados por los ejes X y Y interpolados en el CNC.

Si se pueden interpolar tres ejes controlados de manera simultánea, se habla de un control de trayectoria 3D. Esto es estándar en las máquinas de fresado. En el caso de querer que la pieza de trabajo se enfrente a la herramienta en ángulos diferentes a los de su configuración inicial, sin necesidad de reposicionar la pieza manualmente, entran al juego los ejes de rotación. Estos a su vez pueden ser controlados para moverse entre un punto inicial y uno final únicamente (ejes indexados), o pueden hacer parte de la interpolación simultánea y permitir el trabajo de trayectorias de gran complejidad en tres dimensiones. Es importante anotar que, de manera estándar, los ejes de rotación se denominan de la siguiente manera: A es el eje que rota alrededor de X, B el que lo hace alrededor de Y y C cuando rota alrededor de Z. Así­, debido a que el eje C es el que se usa normalmente para generar el movimiento relativo entre herramienta y pieza de trabajo, es decir, para rotar las herramientas en las máquinas de fresado, o las piezas en el caso de los tornos, quedan a disposición los restantes ejes, de los que se habla cuando se refieren al mecanizado en cinco ejes.

Ahora bien, la máquina puede tener varios ejes en paralelo para mover dos o incluso tres torretas de herramientas, en el caso de los centros de mecanizado basados en torno. Si estas torretas no solo se mueven de manera controlada en Z y X, sino que lo hacen también en Y, e incluso en B, y además la máquina cuenta con no solo uno sino dos cabezales, que se pueden mover en Z y en algunas ocasiones en X o Y, tenemos una combinación de movimientos posibles que rápidamente explota a números como 10, 11, 12 o más ejes de mecanizado.

Y aún no termina todo allí­. Algunos fabricantes de controles y de máquinas, promocionan el uso de ejes virtuales. Estos solo son ejes ficticios que se mueven en la dirección en la que la herramienta está orientada. Por ejemplo, si se quiere taladrar un agujero a 45° con respecto a un eje coordenado, el CNC calcula la posición de los ejes rotativos de la máquina para posicionar la herramienta en un plano perpendicular al deseado y genera un eje virtual que facilite la entrada de datos del operador. Si el agujero debe ser de 100 mm de profundidad en el eje virtual deseado, es tarea del CNC calcular cuánto movimiento debe hacer en cada uno de sus ejes reales para lograrlo.

La creciente tendencia de los centros de fresado y torneado

Los centros de fresado y torneado, que son básicamente tornos con capacidades adicionales para fresar, están equipados con cabezales de fresado de cada vez mayor potencia y velocidad. Aunque no se trata de máquinas especializadas en este último proceso, sí­ permiten realizar cortes de relativa baja profundidad de corte a velocidades competitivas, con la gran ventaja de poder maquinar la pieza a partir de una barra continua y trasladarla automáticamente al segundo cabezal de la máquina, para trabajarla por su sexta cara y entregarla finalizada. Esto ahorra tiempos muertos y reduce posibilidades de errores de posicionamiento por el cambio de máquina, de manera definitiva.

Una de las principales ventajas de estas máquinas es el poder trabajar de manera simultánea con varias torretas de herramientas al mismo tiempo. En efecto, las máquinas solo alcanzan su mayor productividad si los dos cabezales de torneado están trabajando de manera simultánea. Para esto es importante tener un software CAM que sea capaz de aprovechar estas oportunidades, reduciendo al máximo el tiempo muerto y sincronizando de la mejor manera el trabajo para que ambas piezas sean culminadas en tiempos similares.

El maquinado de una pieza con dos torretas, una superior y una inferior, trabajando en la misma caracterí­stica geométrica de una pieza, presenta ventajas muy interesantes desde el punto de vista productivo, debido a que puede aumentar notablemente la velocidad de avance ya que cada herramienta puede programarse con una menor profundidad de corte. Por otro lado, el hecho de ejercer fuerzas radiales en direcciones diametralmente opuestas, estabiliza la pieza, reduciendo también la deflexión y mejorando la calidad superficial de las piezas fabricadas.

Para implementar este tipo de procesos en un taller de manera exitosa y lograr el objetivo de reducir tiempos de ciclo se deberí­an seguir algunos lineamientos generales.

1. Cambiar la forma de pensar con la que se fabrican las piezas. La transferencia de las piezas de un cabezal al otro es el momento más importante, debido a que determina el aprovechamiento de la máquina para su objetivo final de reducir tiempos de ciclo. Se debe pensar muy bien con antelación qué caracterí­sticas del diseño se deben realizar antes de transferir la pieza, para aún garantizar las tolerancias y ajustes especificados. Una ventaja de la fabricación de partes completas en una sola máquina es que es más rápido notar dónde se encuentra algún problema, en comparación con la investigación necesaria si la pieza se hace en cuatro, cinco o más máquinas diferentes.

2. Personal adecuado. Un elemento clave, sin el cual es imposible sacar el provecho real de este tipo de maquinaria multiejes, es seleccionar el personal correcto, tanto desde el punto de vista de operación del equipo, como desde el diseño y especificación de parámetros de manufactura por el ingeniero a cargo. Actualmente los fabricantes de maquinaria, de elementos de sujeción y de herramientas de corte, han alcanzado un buen conocimiento y experiencia para trasladarlo al personal de los talleres que quieran incursionar en el mundo del mecanizado multiejes. Es un reto que debe ser aceptado por el personal, quien debe asegurarse de no terminar subutilizando un equipo que podrí­a alcanzar mucho mejores resultados. En el caso de centros de mecanizado vertical, es muy común ver maquinaria de cinco ejes simultáneos, por ejemplo, que es usada únicamente como un sistema 3+2, debido a la falta de entrenamiento y criterio de sus operarios.

4. Software CAM. El software correcto también va a hacer la diferencia en el caso de operaciones en máquinas multiejes. Solo la capacidad de diseñar de manera rápida y eficiente un mecanizado, con la correcta sincronización entre torretas, husillos de fresado y cabezales puede generar la productividad necesaria para recuperar de la manera más rápida posible la inversión en un equipo de estas caracterí­sticas. Es importante garantizar que el software escogido tenga las capacidades de post procesamiento exactas para el modelo de máquina adquirida. Existen tantas variaciones posibles entre los equipos instalados en los múltiples ejes, que no necesariamente todos los sistemas CAM servirán correctamente para las funciones deseadas. El tema del software incluye por supuesto un sistema de simulación del mecanizado que permita asegurar al operador que no generará costosos errores de choques entre los ejes de la máquina y las piezas trabajadas.

4. Sistemas de sujeción. Un aspecto crucial a tener en cuenta durante el mecanizado multiejes que acerca las piezas trabajadas aún más al concepto de “hecho en uno” es el de los sistemas de sujeción. Esta recomendación tiene un impacto mucho mayor en las máquinas multieje basadas en fresado. ¿Para qué invertir cerca de dos veces el valor de una máquina convencional, si esta se va a mantener mucho tiempo parada en las configuraciones de pieza? La inversión completa debe incluir desde el primer momento sistemas de sujeción de punto cero, ya sea manuales o automatizados, para aprovechar realmente el potencial de las máquinas de más de tres ejes. Está demostrado que reducir los tiempos de configuración mediante el referenciamiento automático de la máquina aumenta notablemente la productividad del proceso, haciendo que un porcentaje mucho mayor del tiempo la máquina esté cortando viruta, en lugar de permanecer quieta mientras los operarios montan y configuran sistemas de agarre convencionales. Adicionalmente, es crucial tener sistemas que garanticen la rigidez estructural suficiente durante el corte. En muchos casos, durante el fresado en cinco ejes es necesario instalar torres de sujeción que alejan las piezas de trabajo de la mesa y permiten a la herramienta acercarse lo suficiente para cortar en caras muy cercanas a la base. Cuando estas torres no son lo suficientemente rí­gidas, se corre el riesgo de generar vibraciones tanto en la pieza como en la herramienta, que deterioran la superficie y reducen la vida útil de los filos de corte. Todo esto aleja la pieza fabricada del ideal, de ser terminada en una sola configuración, la cual habí­a sido la razón inicial para trabajarla en un sofisticado equipo de corte con cinco ejes simultáneos.

Las prensas que se usen, ya sea manuales o con sistemas neumáticos de automatización de cierre, deben pensarse correctamente para evitar interferencias entre la herramienta y el montaje. Otro aspecto importante para tener en cuenta es que las bases de extensión, incluyendo las placas de referencia cero que se instalan sobre la base de la mesa y los diferentes adaptadores, usan bastante espacio en el eje z de la máquina. Muchas veces se tiene en cuenta solo el tamaño de la mesa y el volumen máximo descrito por el movimiento de los ejes según el catálogo, pero estos pueden verse reducidos notablemente al incluir los sistemas de sujeción y las herramientas con las que se va a hacer el trabajo.

5. Dos opciones: máquina multitarea o fresadora de cinco ejes. El último aspecto que cierra el ciclo de recomendaciones para la reducción de tiempos de ciclo con el mecanizado multiejes es la implementación de una máquina con la configuración correcta para la tarea.

En el caso de poder comenzar con materia prima en forma de barra, las máquinas multitarea de fresado y torneado son la primera opción. La verdadera ventaja del uso de este tipo de máquinas multieje es que más de una herramienta esté cortando simultáneamente sobre sobre la pieza. Si esto no se está llevando a cabo, la máquina no está haciendo un trabajo multitarea. El uso de un segundo cabezal en el que una de las torretas trabaja sobre la sexta cara, se incluye dentro del concepto multitarea solo si al mismo tiempo se está comenzando el trabajo de corte en el primer cabezal. Cualquier otro caso en realidad pone en riesgo la reducción de tiempos de ciclo, premisa bajo la cual se hace la inversión en este tipo de máquinas.

Por supuesto, no todo tipo de piezas puede ser fabricado por las máquinas de fresado y torneado. Las fresadoras con capacidad de trabajo en cinco ejes simultáneos, ya sea con los ejes A y B en el cabezal o en la mesa, son actualmente irremplazables en cuanto a su versatilidad para la fabricación de piezas complejas que no necesariamente parten de materia prima en barras continuas.

Un tema de la mayor importancia para estos aparatos es el efecto que tiene la calidad del control numérico sobre el resultado de las piezas. Como se puede imaginar fácilmente, la coordinación exacta del movimiento de cinco ejes simultáneos para que en todo momento la herramienta esté utilizando sus filos de corte de la manera óptima sobre el material a mecanizar es un reto de orden mayor. Solo los controles de trayectoria de lazo cerrado, con verificación real del posicionamiento de los ejes con escalas de vidrio pueden asegurar que la punta de herramienta estará con la menor incertidumbre posible en el sitio donde el CAM querí­a que estuviera. Un ejemplo de para este tipo de control lo muestran las máquinas de fresado de OPS Ingersoll, cuyo CNC es capaz de calcular la inercia generada por el movimiento de la pieza puesta sobre la mesa de trabajo y así­ predecir y contrarrestar los errores de posicionamiento causados por los movimientos durante el mecanizado.

Según el ingeniero lí­der de diseño de la compañí­a alemana OPS Ingersoll, Max Schwade, sus máquinas pueden alcanzar 1.5 g de aceleración en los ejes que se mueven a 30 m/min. “A estos niveles de aceleración es imposible creer que cualquier tamaño de pieza, localizada en cualquier punto de la mesa, va a generar la misma respuesta dinámica sobre el sistema. Es necesario medir y corregir la posición para garantizar el mejor resultado geométrico y de rugosidad superficial sobre las piezas”, declaró Schwade.

El mecanizado multiejes posibilita la fabricación de piezas más complejas y precisas que no se hacen hasta ahora en la región. Como es sabido, industrias grandes como la aeronáutica, médica o automotriz, tienen un poder de negociación alto, lo que obliga a mantener márgenes de ganancia bajos en las piezas y empuja a los fabricantes de partes a optimizar su producción para mantenerse competitivos. Esto ya no es una opción. Es una realidad bajo la cual se debe vivir y esta tendencia de mecanizado es una solución para ganar nuevos mercados.