Calibradores neumáticos detectan desgaste en conos de portaherramientas

El uso de conos nunca había sido más importante. La mayoría de diseños de portaherramientas usa conos porque ellos proveen una buena alineación y pueden bloquearse en su posición. En la manufactura de portaherramientas y husillos, el control del cono y su tamaño determina qué tan bien puede desempeñarse la máquina durante su ciclo de corte.

Las dos condiciones más importantes en el control del cono son su tamaño y su ángulo. El tamaño se controla por la tolerancia, y por eso, es idéntico a un diámetro interior o exterior cilíndrico. El ángulo del cono, por otro lado, puede controlarse al menos por tres factores: 1) ángulo incluido o ángulo por lado; 2) cono por pulgada o por pie; 3) dos diámetros en ubicaciones con dato especificado.

Los calibradores neumáticos miden efectivamente casi todos los tipos comunes de dimensiones y son particularmente aptos para verificar tales relaciones dimensionales. Como herramienta de inspección, la calibración neumática puede medir muchos trabajos más rápidamente, con mayor conveniencia y precisión que otros métodos de medición. En la medición de condiciones de agujeros de alta precisión, por ejemplo, la calibración neumática es inigualable por su velocidad y precision. También, cuando se verifican características dimensionales, el aire ofrece suficiente amplificación y confiabilidad para medir tolerancias mucho más allá del alcance de los calibradores mecánicos.

Además, la calibración neumática es sencilla. Los trabajadores de producción no requieren entrenamiento especial para usar calibradores neumáticos. Al verificar un agujero, por ejemplo, no es necesario desarrollar habilidad en "afinar el medidor" para encontrar el diámetro real: simplemente se inserta el tapón neumático en el agujero y se lee la medida. Es tan simple como eso.

Cómo trabaja la calibración neumática
La calibración neumática usa el principio de contrapresión para determinar el tamaño de una parte medida. De acuerdo con las leyes de la física, el flujo y la presión resultan directamente proporcionales al espacio y ambos reaccionan inversamente el uno respecto a la otra. Así, la relación entre la presión de aire y la distancia de una restricción (pieza de trabajo) a la salida de aire (chorro) puede representarse en una gráfica. Vea la línea (a) como se muestra en la figura 1. A medida que se incrementa la distancia entre el chorro y la superficie de trabajo, la presión decrece y la relación se convierte en lineal, como se representa por la sección recta (b) en la figura 1. Esta porción recta de la curva puede calibrarse con precisión y representa la escala del calibrador neumático.

Para medir conos en un ambiente de producción, pocos métodos diferentes pueden igualar la velocidad y desempeño del aire, ya que múltiples circuitos de chorros de aire pueden colocarse en calibradores de conos muy pequeños. Los calibradores neumáticos de conos se usan a lo largo del proceso de mecanizado, que incluye:

La inspección de nuevos portaherramientas.

La inspección de nuevos husillos.

El monitoreo de portaherramientas usados para asegurar que se ajustan apropiadamente con la máquina.

El monitoreo del husillo para verificar que el portaherramientas está sentado apropiadamente en el husillo.

Portaherramientas y husillos
Existen muchos tipos de portaherramientas estándar, pero los dos más comunes son el CAT-V y el HSK. El NMTB y el CAT-V son muy similares y usados con frecuencia. Los portaherramientas NMTB/CAT-V son conos externos, disponibles normalmente en tamaños comunes: 30, 40, 45, 50 y 60 (pero existen otros), según el tamaño y capacidades de la máquina CNC. Recientemente, el portaherramientas estilo HSK se ha vuelto también muy popular por su alto desempeño en aplicaciones de mecanizado rápido. Normalmente se especifican tamaños de herramental 32, 40, 50, 80 y 100 (pero también existen otros tamaños). Estos números definen tanto el diámetro de la línea del medidor como su longitud. Tanto el NMTB como el CAT-V usan por lo general un cono 7:24, mientras el HSK utiliza un cono poco profundo de 1:10.

Muchas razones justifican la popularidad de estos portaherramientas. Una ventaja es que no son autobloqueantes, y en lugar de ello, se aseguran en el husillo mediante una barra de tracción -un arreglo que facilita y agiliza los cambios de herramienta-. También son económicos, porque el cono mismo es relativamente fácil de producir y requiere mecanizado de precisión de sólo una dimensión, el ángulo del cono.

Los portaherramientas deben posicionar apropiadamente la herramienta de corte en relación con el husillo, y cuando está asegurada en sitio, debe mantener rígidamente esa relación. Por eso la precisión de las superficies cónicas tanto en el portaherramientas como en el husillo es crítica.

Si la tasa de conicidad del portaherramientas es demasiado grande, habrá excesivo espacio entre las dos superficies y el extremo más pequeño del cono. Si la tasa de conicidad es demasiado pequeña, habrá mucho espacio libre en el extremo mayor. Cada situación puede reducir la rigidez de la conexión y causar desviación lineal de la herramienta, lo cual puede manifestarse en la pieza de trabajo como un error en la geometría y, o, en su acabado superficial. Los errores del cono pueden afectar también la cantidad de espacio libre entre la brida del herramental y la cara del husillo, creando errores de posicionamiento axial.

Tres tipos de herramientas neumáticas
A medida que se incrementan las demandas de precisión y alta velocidad del mecanizado, las tolerancias de manufactura del husillo y los conos portaherramientas se estrechan. Sin embargo, ambos componentes continúan sujetos a imprecisiones en la manufactura y al desgaste. En respuesta, algunas compañías con requerimientos muy altos de precisión, calidad y productividad -particularmente en los campos médico y aeroespacial- verifican regularmente la precisión de los conos portaherramientas y los husillos de las máquinas usando los portaherramientas. Esto se hace normalmente con un calibrador diferencial neumático, que combina la alta resolución y precisión necesarias con la velocidad, facilidad de uso y robustez, requeridas en el taller. El tipo más común de calibrador neumático para herramental de cono tiene dos pares de chorros en circuitos de aire opuestos y está diseñado para un ajuste estrecho entre la parte y la herramienta.

El herramental de ajuste estrecho no mide diámetros de parte como tales. En lugar de ello, muestra la diferencia diametral en dos puntos sobre la pieza de trabajo, en comparación con los mismos dos puntos en el patrón (véase figura 2). Si la diferencia en diámetro en el extremo mayor del cono es superior a la diferencia en diámetro del extremo pequeño, el chorro superior verá mayor contrapresión que el chorro inferior. Esto reflejará un cono negativo o un ángulo de cono más grande. Si la diferencia diametral en el extremo pequeño es mayor que la diferencia en el extremo mayor, el calibrador leerá un cono positivo o un ángulo de cono más pequeño.

Sin embargo, ya que un calibrador neumático diferencial indica sólo diferencias diametrales, no mostrará el diámetro de la parte en cada sitio. Así, mientras este tipo de herramienta neumática provee una buena indicación del desgaste del cono y nos permite predecir una pérdida de rigidez en la conexión, no nos cuenta nada sobre la precisión en el posicionamiento axial de la herramienta.

Para eso necesitamos una herramienta neumática estilo "espacio libre". La cavidad de la herramienta es dimensionada para aceptar el cono portaherramientas completo, mientras la brida del portaherramientas se referencia contra la superficie superior de la herramienta. Esto posibilita medir diámetros en alturas conocidas (además del cambio en espacio libre, como con el de tipo ajuste estrecho). Puede adicionarse un juego adicional de chorros, como se muestra en la figura 3 , para inspeccionar la boca de campana y la forma de barril, dos condiciones más que reducen el área de contacto entre el portaherramientas y el husillo.

Existe un tercer tipo de calibrador neumático de conos, un cruce entre los estilos mencionados arriba. Este se llama calibrador de conos de "ajuste simultáneo". Es básicamente una herramienta de ajuste estrecho con un indicador que referencia en la cara de la brida par del portaherramientas. Esto indica qué tan lejos alcanza el portaherramientas en el husillo. Así, mientras el calibrador neumático provee una lectura del ángulo del cono, el indicador provee una referencia del tamaño de los diámetros. Cuando se mide un portaherramientas cónico, si el diámetro del cono es demasiado grande, no llegará lo suficientemente lejos en el calibrador. Si el diámetro es muy pequeño, caerá más allá en el calibrador.

Dada una comprensión básica de cómo trabaja un calibrador neumático, estos tipos de herramental son fáciles de usar. La calibración es un asunto sencillo: insertar el cono patrón y ajustar el cero. Medir es aún más fácil: sólo se inserta la parte y se toma la lectura. Sin embargo, se requiere cuidado, especialmente cuando se manejan portaherramientas pesados. Aunque el herramental neumático es robusto, puede dañarse.

Graduación de calibradores neumáticos
Los calibradores neumáticos para herramental cónico requieren patrones cónicos. Los portaherramientas son de interés particular, porque la precisión del cono afecta la calidad de las partes fabricadas con estos portaherramientas. Según el estándar Ansi B5.10, los portaherramientas con brida en V se construyen a una tasa especificada de conicidad de 3-1/2 pulgadas por pie, +0.001/-0.000 pulgadas. El estándar ISO 1947 define un número de grados de cono y establece diferentes tolerancias, dependiendo tanto del grado como de la longitud del cono.

Sin importar cuál estándar se siga, resulta necesario graduar el calibrador antes de usarlo para medir partes. El patrón cónico es generalmente una versión más precisa de la parte, pero antes que pueda usarse para graduar el calibrador, debe certificarse. La tolerancia de 0.001 pulgadas por pie del Ansi parece fácil de lograr hasta que se ve la complejidad del proceso de inspección. Primero, la mayoría de portaherramientas son mucho más cortos que 1 pie, de modo que la mayoría de calibradores compara realmente diámetros que están apartados sólo 3 o 4 pulgadas. Considerando el ejemplo de 3 pulgadas, la parte tiene que cumplir una tolerancia medida de 0.00025 pulgadas (es decir, 0.001 pulgadas ÷ 4). Usando una relación de regla del dedo gordo para medición de 10:1, el patrón de medida debe tener precisión de 25 micropulgadas, y el calibrador debería resolver la misma cantidad.

Para certificar el patrón -de nuevo usando la relación 10:1- se requerirá un sistema de medición que tenga un desempeño superior a 2.5 micropulgadas. Esto es fácil de lograr. Un ambiente de laboratorio controlado resulta esencial para lograr el nivel de precisión. Certificar el patrón replica robustamente el proceso de medición de producción. El diámetro del patrón se mide en dos alturas conocidas, y la pendiente o ángulo se calcula a partir de los resultados.

Consideraciones esenciales
Entre más conozca usted sobre su proceso de mecanizado, mejor será la forma en que su herramental y sus husillos se desempeñan. La calibración neumática puede suplir esa necesidad. Cuando se especifica un requerimiento de cono, considere siempre:

Qué va a medir:

• ¿Ángulo del cono?
• ¿Diámetros en ciertas ubicaciones?
• ¿Cono y diámetro?

La longitud del cono y la posible ubicación de puntos de detección.

Si el calibrador será portátil o montado en banco.

Lo que necesita el operador para una lectura.

Los diseños sencillos de ajuste estrecho proveen medición del ángulo del cono.

La adición de un indicador provee una referencia del diámetro del cono.

Un calibrador estilo hombro permite circuitos independientes para medición del cono y el diámetro.

Un tercer circuito de aire puede ayudar a determinar si los lados de un cono están rectos.

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