Cómo perfeccionar un proceso de mecanizado

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Siempre habrá incertidumbre. Por esta razón, no puede ser posible 'perfeccionar' realmente un proceso de mecanizado --por lo menos, no literalmente--. Pero ¿qué pasa si el alcance de toda la incertidumbre en el proceso pudiera conocerse por anticipado? ¿Qué pasa si se conoce que el error es tan pequeño que no comprometería la precisión que requiere la parte? Un proceso como tal podría considerarse 'perfecto' mientras se considere esa pieza particular. Podría confiarse en ese proceso para hacer esa parte, y esta sola confianza podría significar ahorros sustanciales.

Los usuarios de máquinas-herramienta no han confiado en sus procesos. Siempre ha existido un medidor al final (o una serie de medidores) para verificar si la parte ha sido mecanizada como se esperaba. Pero, ¿qué tal si se usa un medidor al comienzo? Es decir, ¿qué tal si se inspecciona primero el proceso, de modo que el taller pueda determinar anticipadamente si con ese proceso puede fabricarse la parte?

En el escenario descrito, un medidor autónomo, como una máquina de medición por coordenadas (CMM), no tiene que vigilar el proceso en una base continua. A cambio, la inspección con CMM de partes terminadas puede usarse para proveer una validación independiente sólo en aquellos casos que requieren validación. En otros casos, el proceso puede simplemente mantenerse en producir sin el CMM --elaborando partes que el taller sabe desde ya, que el proceso puede hacer.

Esta práctica de inspeccionar para medir el proceso en lugar de las partes se ha vuelto más común, porque los fabricantes reconocen cuánto pueden ahorrar no sólo inspeccionando con menor frecuencia, sino también evitando desechar esos resultados por no saber exactamente lo que el proceso puede hacer.

Dos personas que han ayudado a implementar esta estrategia de inspección en los talleres, trabajan para GE Fanuc Automation en Charlottesville, Virginia. Ellos son Mark Brownhill, gerente de servicios para máquinas-herramienta, y Jim Spearman, gerente de soluciones de máquinas-herramienta. Este artículo resume algunos de sus puntos de vista sobre medición y optimización de las capacidades de un proceso de mecanizado.

El primer paso, comentan, es identificar las fuentes de variabilidad. Esto es, identificar las múltiples razones por las que ocurren los errores de mecanizado.

¿Ley de Murphy?
Para comenzar, la máquina-herramienta por sí sola ofrece un lugar completo para el error. Una máquina-herramienta típica de tres ejes tendrá 21 grados de libertad, lo que se traduce en 21 fuentes potenciales de imprecisión. Además, hay elementos de fijación --los accesorios, abrazaderas, mandriles, prensas de tornillo y mordazas-- que añaden aún más grados de libertad.

Añada a todo esto la variabilidad inherente en otros elementos del proceso. El herramental, el material y cualquier medición necesaria y entrada de datos, introducen oportunidades para la variación. Y la variación de trabajo a trabajo puede venir de la forma como se escribe el programa para la parte, así como la simple acción del programador de seleccionar un método para producir una pieza en particular.

La variabilidad mencionada está presente desde antes que se mecanice la primera parte. Presione 'Iniciar ciclo' y muchas más fuentes de variabilidad entrarán en juego. ¿Qué tan repetible es la máquina? ¿Qué tan consistentemente se cargaron las piezas de trabajo? Y entonces, ahí está la variación que ocurre simplemente como resultado del mecanizado, tal como el desgaste de la herramienta o la fractura de la misma.

En pocas palabras, es mucho lo que puede salir mal. Pero aquí está el asunto: las fuentes de error son finitas. También se pueden medir, y en muchos casos, son improbables. Para lograr un proceso que no necesite ser vigilado, el taller simplemente identifica y 'fija' tantas fuentes de variabilidad como pueda --tal vez atacándolas en orden de dificultad--. Así, el taller establece una línea base del nivel de desempeño midiendo la variabilidad que permanece. Mejorando un proceso y luego midiendo lo que este puede hacer, el taller puede predecir con exactitud las tareas que deben ser asignadas a máquinas específicas.

Aunque hay muchas fuentes de variabilidad, todas caen en dos categorías básicas. La distinción es útil cuando se trata de atacarlas. Existen errores que afectan el "rendimiento del alistamiento"; estos son los errores que están presentes para la primera pieza mecanizada. Luego hay errores que afectan el "rendimiento de la producción"; estos son los errores que sólo entran en juego en el curso de la producción de un lote de partes. Mientras la primera clase de error tiene que ver con la precisión del proceso, la segunda se relaciona con la repetibilidad.

Producción más precisa
La precisión del proceso representa mucho más que la precisión de la máquina. Sin embargo, la precisión de la máquina es un componente fundamental.

La precisión de la máquina puede ser medida con un láser. Inicialmente, la medición láser ayuda a mejorar la precisión por medio del mantenimiento. Cuando la precisión de la máquina no puede seguir siendo mejorada de esta forma, el análisis se convierte en algo valioso para caracterizar lo que la máquina puede hacer. Un trabajo particular puede ser asignado --y permanecer asignado-- a una máquina-herramienta con capacidades medidas, lo suficientemente buenas para permitir que la máquina produzca cómodamente esa parte.

Otra influencia sobre la precisión del proceso viene del rol humano, y todo el potencial de variabilidad y errores que esto conlleva. Aquí el mantenimiento no ayuda. A cambio, un proceso más exacto se centra en encontrar caminos para minimizar los roles de los seres humanos.

El operador no es el único humano de interés aquí. Las diferencias en la estrategia de procesamiento de un programador a otro, también representan una fuente significativa de variabilidad --y que puede ser controlada--. Para hacer este aspecto del proceso más consistente, el taller puede implementar la automatización CAM que reconoce automáticamente las características de la parte y asigna patrones de herramienta de acuerdo con las prácticas preferidas en el taller. No toda la programación puede ser automatizada de esta forma, pero mediante esta tecnología se logra, por lo menos, mejorar la consistencia en la programación.

También está la automatización del hardware enfocada en el rol del operador. En la máquina-herramienta, la automatización puede tomar una variedad de formas, muchas de las cuales no requieren que el taller adquiera equipo costoso. Algunas posibilidades incluyen:

Identificación incorporada de dispositivos. Un dispositivo puede incluir una característica que identifica el número de parte que posee. El CNC puede entonces usar esta identificación para confirmar de manera automática que el programa correcto ha sido llamado para esa parte, evitando un error potencialmente costoso. La característica de identificación puede tomar la forma de una etiqueta para ser leída por la máquina, tal como un código de barras, pero también puede tomar la forma de una característica que es inspeccionada durante un examen. Por ejemplo, características diferentes podrían tener agujeros de identificación con diámetros diferentes, permitiendo que la medición CNC del diámetro del agujero diga cuál número de programa debe ejecutarse.

Los puntos de referencia en el dispositivo. Una bola de la herramienta, o alguna característica comparable, puede añadirse al dispositivo con el fin de establecer los puntos de referencia X-Y-Z para el trabajo. El programa puede incluir entonces una rutina de examen para localizar esta característica antes de comenzar el mecanizado, de modo que el operador no tiene que medir más e ingresar manualmente las distancias de separación de la pieza de trabajo.

Transferencia automática de datos de la herramienta. También debe evitarse ingresar los datos de separación de la herramienta manualmente. Una forma de hacer esto es conectar en red el dispositivo de medición de la herramienta al CNC para transferir directamente esta información. Como alternativa, los portaherramientas pueden equiparse con etiquetas electrónicas de identificación, en las cuales se almacenan las mediciones de la herramienta un tiempo suficiente para que los datos puedan ser leídos de manera automática en el CNC.

Producción más repetible
La medición con láser es uno de dos métodos complementarios para inspeccionar el desempeño de las máquinas-herramienta. El otro es la inspección ballbar. Mientras el láser puede usarse para establecer una línea base de desempeño de la máquina, el ballbar ofrece una forma fácil de monitorear ese desempeño durante el tiempo. Una rutina de inspección de 30 minutos con un ballbar, entrega una gran cantidad de datos de desempeño. Al desarrollar esta inspección regularmente, un taller puede chequear los cambios o confirmar que la máquina continúa su desempeño como en el nivel de la línea base. Monitoreando en el tiempo los patrones de la máquina en las inspecciones ballbar, el taller puede incluso predecir cuándo es necesario llevar a cabo las operaciones de mantenimiento.

La inspección con el ballbar tiene lugar fuera del corte. Una vez comienza el corte, ciertas capacidades CNC se vuelven valiosas para contrarrestar o atacar las clases de error que varían de pieza a pieza.

Estas capacidades incluyen:
Control adaptativo. Puesto que una herramienta sin filo necesita más corriente, la medida de esta corriente puede determinar cuándo se requiere reemplazar la herramienta. La misma capacidad también permite al CNC responder a variaciones en las propiedades del material o el perfil de corte, disminuyendo la tasa de alimentación para compensar una carga excesiva.

Manejo de herramienta. Un taller que ha medido la expectativa de vida de una herramienta particular puede tomar ventaja de un CNC que tiene capacidad de manejo de herramientas. El CNC sigue el uso de una herramienta dada, reemplazándola automáticamente cuando ha alcanzado su vida de corte específica.

Inspección en-proceso. Además de su rol de localizar partes antes del corte, la sonda de la máquina-herramienta también puede hacer mucho del trabajo de inspeccionar una parte cuando se hace el mecanizado. Es falso que una máquina-herramienta no pueda inspeccionar su propio trabajo. Los errores resultantes del desgaste de la herramienta o de su fractura, por ejemplo, pueden detectarse mediante una sonda. Encontrar estos errores antes que el trabajo abandone la máquina facilita corregirlos, y la medición con sonda puede incluso permitir que la corrección de este error se efectúe como una parte automática del programa.

El inicio
Uno de los problemas de realizar mejoras como estas en el proceso, es saber cuál mejora hacer. Con cualquier proceso de mecanizado, aparte de lo mucho que se puede mejorar, está la dificultad de saber por dónde comenzar.

Para encontrar un problema particular con un proceso suficientemente importante para valorarlo, intente formular esta pregunta: ¿qué piensa mi cliente que es crítico para la calidad? Mientras esta pregunta puede no identificar sólo un problema para atacar, por lo menos cerrará el campo. Otras importantes preguntas que deben hacerse después de eso, inquieren si el problema puede medirse, y si es factible su solución.

Una vez identificado el problema, el éxito de la operación dependerá no sólo de los méritos técnicos de la solución, sino también de cómo se acepta la solución. Involucrar diferentes intereses desde el comienzo del proyecto es una forma de impulsar esta aceptación. Para ayudar a identificar la gente relevante para un proyecto particular, las preguntas que se deben hacer incluyen: ¿quién habla por producción?, ¿quién habla por el cliente?, ¿quién tiene una visión de todo el proceso, lo suficientemente amplia como para definir los asuntos importantes? Todas estas personas deben ser traídas al grupo.

Eso facilita encontrar el problema correcto que se va a atacar. Una vez el equipo de mejora del proceso tiene éxito --cuando hay un manejo para mejorar el proceso-- entonces ese éxito resalta con precisión cuál problema de calidad en el taller sigue en la lista.

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

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