Certeza de la herramienta: revisión de las variaciones en procesos de fresado

Usted podría estar parado en una plataforma encima de la planta de producción de GKN Aerospace en St. Louis, Missouri, y ver el progreso en la reconstrucción de las máquinas fresadoras multihusillo en esas instalaciones. Las máquinas renovadas son todas azules.

Estas enormes máquinas producen grandes partes de aeronaves, con sus gantry de tres husillos fresando tres partes de aluminio o titanio al tiempo. El tamaño de cama típico para una de estas máquinas es 3,96 m de ancho por 27,4 m de largo. Estas máquinas son reconstruidas sistemáticamente, con el hardware renovado y los controles reemplazados —el paso final en cada una de estas reconstrucciones es repintar la máquina de azul—. Ahora, con 27 de las 54 máquinas gantry reconstruidas de esta forma, la inversión ha sido lo suficientemente grande para que el azul profundo comience a dominar las instalaciones.

La inversión también ha sido lo suficientemente grande para afectar las instalaciones de otra forma significativa. GKN llegó a una conclusión que resalta el verdadero valor de todo este trabajo. Específicamente, la planta cayó en la cuenta de que el beneficio potencial total de la inversión en la reconstrucción de máquinas se obtendría solo cuando la planta tuviera su manejo de herramientas bajo control.  

Ahora bien, incluso mientras continúa la reconstrucción de los gantry, GKN ha puesto en sitio un nuevo sistema de manejo de herramientas, que cambia radicalmente la forma como la instalación asigna, organiza e incluso carga la herramienta en estas máquinas.

Llegar a este punto no fue fácil. Los errores relacionados con la herramienta siempre se habían visto como una parte inevitable en el proceso de mecanizar las partes más complejas de las máquinas gantry. Cualquiera de estas partes podía requerir cientos de herramientas, y los errores de herramienta podían ser el resultado no solo de alistamientos erróneos de herramienta, sino también de fallas en la fabricación de la herramienta (más de esto abajo). Cuando estos errores de la herramienta eran pequeños, podían producir defectos que se corregirían después. Cuando los errores eran grandes, generalmente se detectaban antes de que pudieran dañar la parte, pero no tan seguido. En una ocasión importante, un error de herramientas causó un sobrecorte que generó pérdidas de cientos de miles de dólares en forjas de titanio que tuvieron que desecharse.

A raíz de este suceso, la dirección corporativa de GKN se preguntó: “¿Qué hace falta para asegurarse de que esto no vuelva a suceder?”.

“Un prealistamiento automático” fue la respuesta inicial del personal de la planta. Es decir, la planta necesitaba una medición de herramientas lo suficientemente sofisticada para desarrollar de manera rápida una inspección detallada de cada herramienta.

Pero no. Una reflexión posterior y una discusión entre el personal de la planta de St. Louis reveló que el prealistamiento por sí solo no sería suficiente. Una herramienta medida con error por el prealistador podría llegar así a la producción. Una herramienta medida como correcta por el prealistador, incluso podría usarse con una compensación o un programa erróneos. Lo que la planta realmente necesitaba era un sistema que pudiera detectar errores relacionados con la herramienta y también detenerlos. En pocas palabras, la planta requería un sistema para garantizar que las herramientas correctas con las compensaciones correctas fueran cargadas para las operaciones de mecanizado correctas todas las veces.

Un equipo en St. Louis, que incluía ingenieros, programadores y mecánicos, comenzó a reunirse regularmente para trabajar en un sistema que pudiera lograr exactamente esto.
Al final, la solución requirió mucho más que prealistadores. Demandó el uso de hardware, software y nuevos procedimientos en una estrategia acoplada. Algunos elementos del nuevo sistema se detallan luego.

En general, uno de los aspectos más notables del sistema, tal como opera hoy, es la forma en que captura y corrige las variables que muchos talleres ni siquiera reconocen como variables. Errores humanos invisibles en la forma como se hacen las herramientas, cuando se alistan o se cargan en la máquina, afectan todos los días la precisión de las partes mecanizadas. A menudo, estas variaciones se tratan como una simple parte de la precisión “inherente” al taller. Si bien el peligro de estas variaciones puede magnificarse en GKN, por el tamaño y costo de estas partes, un sistema de manejo de herramientas que incorpore por lo menos algunos de los elementos mencionados más adelante podría beneficiar potencialmente a casi cualquier instalación de mecanizado de producción.

De hecho, un manejo efectivo de herramientas comienza mucho antes que el prealistador de herramientas, que inicialmente GKN consideró importante. Empieza, en cambio, en el departamento de ingeniería, donde las herramientas se especifican en primer lugar. Sin embargo, para describir este sistema es útil comenzar por el final: mirando primero el momento cuando el herramental ensamblado llega completo y listo para usarse en la máquina.

Acoplar el herramental
Una máquina gantry multihusillo le pone una demanda particularmente notable a su herramental. Requiere que los tres husillos tengan herramientas idénticas.

En los procesos de fresado más típicos, que involucran un solo husillo, las dimensiones de la herramienta tienen libertad de variar. Las compensaciones de la herramienta pueden dejar que la máquina de un solo husillo responda por las dimensiones que sean de la herramienta. No es así para una máquina de tres husillos. Para correr tres partes idénticas, las tres herramientas necesitan tener las mismas dimensiones dentro de una estrecha banda de consistencia. Como resultado, el herramental para las máquinas de tres husillos se ajusta a dimensiones de compensación particulares, no al revés.

La complejidad va más allá de esto, ya que la herramienta puede tener dimensiones diferentes a lo largo de su vida útil. Para una herramienta de fresado, el reafilado afecta el diámetro. GKN manejaba esta variable operando diversos programas de CN para acomodar diferentes incrementos del reafilado de las herramientas. Los programas eran especialmente importantes para el mecanizado en cinco ejes, donde —debido a la influencia de los ángulos y la trigonometría— los cambios en la dimensión de la herramienta podían tener efectos complejos en el patrón de herramienta. Para usar estos programas —basados en diferentes reafilados—, las herramientas utilizadas eran reafiladas por debajo para ajustarse a los incrementos de reafilado de los programas, necesitaran o no las herramientas esa cantidad de reafilado.

Una variable final es el tiempo. Las tres herramientas necesitan por lo menos la misma vida remanente para ser capaces de durar juntas en todo el corte. Por lo tanto, las herramientas deben acoplar no solo sus dimensiones sino también su duración.

Así, el rango de las fuentes potenciales de error era ya grande. Para cada corte particular, los encargados tuvieron que asegurarse de operar un juego de herramientas con la suficiente vida remanente, mediante un programa escrito para registrar el estado de reafilado de esas herramientas.

Los mejores mecánicos manejaban bien estas variables
Pero el sistema que está en sitio ahora es mejor. Protege contra todos los errores potenciales automáticamente, y lo hace con una velocidad y efectividad similares para cualquier operador, sin importar si quien está al frente de la máquina es un mecánico recién contratado o uno veterano.

Etiquetas de datos
La herramienta que llega a la máquina ahora trae su propia información de herramienta. Cada montaje de herramienta incluye una etiqueta para almacenar datos electrónicos en el portaherramientas —parte del sistema de identificación de herramienta suministrado por Balluff—. Cuando se carga un nuevo juego de herramientas en los tres husillos, el operador ahora solo toca cada una de las etiquetas con un pequeño escáner para dejar que el CNC de la máquina confirme que cada herramienta es correcta para el trabajo y que se acopla con las otras dos herramientas del juego.

Parte del trabajo de reconstrucción para las máquinas gantry ha sido instalar CNC idénticos en cada una. Estas numerosas renovaciones de los controles fueron desarrolladas por KRC Machine Tool Services. En el pasado, la planta no tenía esta estandarización del control, pero ahora, gracias a KRC, todas las máquinas reconstruidas cuentan con CNC Fanuc idénticos y modernos. Estos nuevos controles operan varias herramientas de software que han sido personalizadas por GKN —una de las cuales es un display gráfico que le presenta inmediatamente al operador los resultados del escaneado de las herramientas—. Solo cuando este display muestra luces verdes para los tres husillos el programa puede proceder.

Programas ajustados
Ahora no es necesario el uso de distintos programas de CN para diferentes incrementos del reafilado, gracias al software desarrollado por Numerical Control Software Solutions. Este software NCTC (siglas de NC Tool Compensation) toma el programa de mecanizado de cinco ejes en su estado de posprocesador y escribe compensaciones para este código, apropiadas para las dimensiones reales de la herramienta. La lógica en el software mira los movimientos existentes del archivo, ajustado para determinar el intento de cada movimiento. Las compensaciones luego tienen en cuenta esos intentos usando la herramienta reafilada real y más pequeña.

Justo después de que el juego de herramientas se carga en la máquina, GKN aplica este software para separar solo el segmento de código asociado con ese número de herramienta particular. El código afectado se borra luego, tan pronto se ejecuta el corte. De esta forma, cada juego particular de herramientas tiene un movimiento exclusivo, creado solo para esas herramientas y únicamente para ese momento particular.

Este innovador software es uno de los aspectos aparentemente mágicos del nuevo sistema de GKN. Los algoritmos, capaces de diagnosticar el “intento” del código de posprocesador, requirieron un tiempo de desarrollo significativo, pero el resultado de este trabajo es un software capaz de cambiar el movimiento de la herramienta con precisión y automáticamente donde se necesite. Un ejemplo simple es la modificación de un giro de 90 grados para mantener un radio deseado cuando la herramienta no tiene más ese radio en sí. Cuando el diámetro de la herramienta es demasiado pequeño, el software NCTC duplica los resultados del radio de esquina nominal del cortador por un arco que completa la compensación, para producir así un movimiento de herramienta que sigue una curva en lugar de un giro de ángulo recto. En el mecanizado de cinco ejes, la trigonometría resultante de las variaciones del diámetro de la herramienta puede requerir compensaciones que sean aplicadas en formas similarmente complejas —de nuevo con el propósito de mantener los mismos resultados de mecanizado que se lograrían con la herramienta de tamaño completo.

La capacidad de considerar el estado reafilado de la herramienta de esta forma elimina la confusión entre los diferentes programas que el taller usaba previamente. También permite ahorros considerables en los costos del herramental. Las herramientas de corte aún son reafiladas en incrementos, pero solo para producir juegos reafilados acoplados.

No se volvieron a reafilar herramientas más de lo necesario en incrementos de 0.020 pulgadas, 0.040 pulgadas y así sucesivamente —incrementos que alguna vez caracterizaron los diferentes programas de CN—. Como resultado, muchas de las herramientas que se utilizaban rutinariamente en los gantry ahora muestran una vida mucho más larga.

Prealistamiento
En el almacén de herramientas de GKN se usan los dos nuevos prealistadores Zotter de la planta. Antes de enviar cualquier montaje de herramientas al taller se inspecciona rápidamente en una rutina automática, creada para ese número específico de herramienta. Solo si una herramienta pasa la inspección llevará sus datos de medición escritos en su etiqueta de datos.

Los montajes de herramienta pueden reprobar esta inspección por varias razones, pero una de las sorpresas de implementar el sistema ha sido encontrar cuán a menudo fallan las herramientas por errores relacionados con su manufactura. Un radio de filo de corte erróneo es la razón más común para esta falla, pero se han descubierto muchos otros errores de geometría. En un caso extremo, un escariador de cuerpo sólido, recién desempacado, tenía un error de excentricidad de 0.015 pulgadas.

El porcentaje de estas herramientas defectuosas es pequeño, pero con las máquinas gantry, que tienen de 400 a 500 alistamientos por día, hasta un pequeño porcentaje de herramientas suma un número considerable. Parte de la rutina del nuevo proceso es recoger las herramientas rechazadas para devolvérselas a los proveedores.

Evitar el error
Aún con todos los problemas potenciales detectados por los prealistadores, todavía descubren más problemas de estos y se han evitado mucho antes de que la herramienta sea ensamblada. Una base de datos integrada une los datos de las herramientas en todas las instalaciones, y el departamento de ingeniería de la planta los utiliza para lograr partes comunes libres de defectos. De hecho, hasta las partes que se hacen por primera vez ahora tienden a realizarse sin defectos.

El software de TDM Systems captura toda la información del herramental del taller. Sobre este software la planta ha desarrollado varias utilidades que simplifican la programación y protegen los procesos de mecanizado.

Por ejemplo, una utilidad de búsqueda personalizada les permite a los programadores buscar entre los 1600 montajes de herramienta estándar por tipo de herramienta, tipo de máquina, material de la pieza de trabajo, geometría de la herramienta y muchos otros parámetros. Esto garantiza que pueda encontrarse rápidamente la herramienta estándar correcta para cada trabajo. El sistema evita la ineficiencia de especificar una nueva herramienta para un corte, cuando una herramienta que la planta ya tiene en inventario puede hacer dicho trabajo. De hecho, solo unos pocos ingenieros pueden ingresar nuevas herramientas estándar al sistema del taller, como pasa ahora —lo que significa que solo ellos tienen que ser convencidos de que la nueva herramienta es necesaria antes de ser añadida al inventario.

Otra utilidad que desarrolló GKN extrae los datos completos del montaje de herramientas en el software CAD/CAM del taller, de modo que las herramientas y los portaherramientas pueden modelarse juntos, en lugar de modelar solo las herramientas.

Esto permite una verificación inicial confiable del programa, antes de que esté disponible para una verificación completa en el software Vericut, de CGTech. En Vericut, el programa de CN se corre no solo con el valor nominal de la herramienta, sino también con su valor de reafilado más extremo. Si ese reafilado extremo produce interferencia, entonces se modifica el diámetro mínimo de la herramienta en el sistema del taller, de modo que la herramienta nunca pueda pasar a producción con un tamaño por debajo de este diámetro.

Libre de defectos
Un ejemplo del resultado de este nuevo control sobre el herramental involucra una parte del mamparo de una aeronave. Esta pieza se renovó cuando la planta obtuvo permiso del cliente para rediseñar el proceso de mecanizado. Mejorar el proceso ya establecido le permitió a GKN desbastar y dar el acabado a la parte en menos tiempo de lo que solía requerir solo el acabado. Igualmente significativo, la parte de nuevo programada fue corrida con cero defectos la primera vez en que se intentó el nuevo proceso.

Mecanizar con cero defectos puede ser desafiante en plena producción. Y operar un primer artículo de una pieza grande y compleja fue muy importante, por decir lo menos. El logro dice algo sobre la naturaleza de todos estos defectos menores, que han sido aceptados y corregidos como parte rutinaria del proceso.

Específicamente, la capacidad de operar libre de defectos en la actualidad con el nuevo sistema de manejo de herramientas en sitio, demuestra cuántas de esas fuentes de variación han estado todo el tiempo directamente relacionadas con las herramientas.