Cómo usar la máquina-herramienta como una galga
Cómo usar la máquina-herramienta como una galga
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La planta de turbinas de Pratt & Whitney empezó la inspección y verificación de piezas en la máquina-herramienta hace más de diez años. Una combinación de factores orientó a la compañía en esta dirección, pero la principal motivación fue la necesidad de fabricar la totalidad de sus piezas de calidad dentro del menor tiempo de ciclo posible. Una gran cantidad de técnicas de calibración, palpación y control de proceso lo hizo posible. Desde ese momento, hemos desarrollado y refinado nuestras estrategias y técnicas paralelamente con los nuevos desarrollos de nuestros proveedores, como Renishaw Inc., que emergen para extender y fortalecer este concepto.
Nuestra experiencia es testimonio de la efectividad de la inspección integrada sobre la máquina para piezas de alto valor producidas en esquemas de manufactura integrada.
La inspección en máquina con rutinas automáticas de palpación ha producido los siguientes beneficios a Pratt & Whitney:
Pioneros en la adopción
Pratt & Whitney se convirtió en pionera en la adopción de la inspección y aceptación en máquina de componentes para turbinas. Los métodos descritos fueron originados en las operaciones de manufactura de grandes turbinas para jet comerciales en la planta de Pratt & Whitney en Middletown, Connecticut. La inspección sobre la máquina (OMI, On-Machine Inspection) fue implementada por necesidad práctica en una de nuestras unidades de negocios, por razones de tiempo, costo y exactitud de los sistemas de inspección de posproceso tradicionales que utilizan las máquinas de medición de coordenadas (CMM) o las galgas convencionales. El OMI fue aplicado por primera vez en componentes de turbinas de jet comerciales de gran tamaño --carcasas, discos y manzanas--, producidos principalmente en centros de mecanizado verticales y alesadoras horizontales. Después de su implementación exitosa en la unidad de Middletown, la inspección en la máquina ha sido adoptada estratégicamente por otras unidades de manufactura de Pratt & Whitney.
Además del deseo universal de reducir los tiempos de producción y los costos, cambiamos al proceso de verificación en máquina, realimentación y corrección para alcanzar los siguientes objetivos específicos de costos y logísticos:
-Rechazo de piezas en el posproceso. Una pieza que falla en la inspección posproceso por CMM o por galgas convencionales genera costos por retrabajados, reparación o desechos. En un componente complejo con un gran valor acumulado, esa falla representa una pérdida financiera de hasta US$50.000. Además, los componentes son producidos como parte de un juego de elementos de construcción del motor. El rechazo de un componente clave puede retrasar la construcción y entrega de un motor y generar penalizaciones financieras contractuales. Por otro lado, la inspección en proceso ofrece la oportunidad de realimentación y corrección para evitar el rechazo de la pieza.
-Piezas no apropiadas para inspección CMM. El tamaño de las piezas --como la carcasa contenedora del ventilador (Figura 1) que tiene un diámetro de 118" y 58" de alto-- puede hacer que una CMM con un rango de medida suficiente sea prohibitivamente costosa. Además, para asegurar la exactitud geométrica, durante el mecanizado tratamos de mantener los componentes sobre fijaciones, de una manera similar a como estarían soportados en la turbina del jet. Cuando se retiran de la máquina-herramienta y de la fijación, para ser cargadas en la CMM, las piezas pueden tener cambios dimensionales tales que una pieza buena pueda ser rechazada. Particularmente, las piezas de aluminio son susceptibles a esta situación.
-Medición con galgas, complicada y costosa. Sus dimensiones delgadas y el gran número de galgas especiales necesarias para nuestra gran variedad de piezas representarían una tremenda inversión financiera, además de la pesadilla logística para construirlas, almacenarlas, calibrarlas y mantenerlas. La medición con galgas físicas es lenta, laboriosa, requiere gran cantidad de personal y va en contravía de los esfuerzos de la planta por acortar y automatizar el proceso. En cambio, los programas de prueba corren en el CNC de las máquinas. Esto les permite trabajar extendidamente en forma no atendida y les permite a los operadores tener otras ocupaciones. Los programas de prueba automáticamente aplican compensación, evitando la necesidad que existe, cuando se trabaja con galgas manuales, de entrar en el control valores de compensación. La entrada incorrecta de datos puede ser una fuente de error que lleva a piezas mal mecanizadas.
A principios de los noventa, Pratt & Whitney ensambló un equipo intrafuncional para desarrollar e implementar estrategias con el fin de aumentar el control del proceso e integrar la inspección automática de piezas, empezando con el proceso de mecanizado de carcasas contenedoras de ventiladores iso-retícula (estructuras grandes, complejas, de alto valor y con paredes relativamente delgadas). Las estrategias, métodos y técnicas que se siguen han sido practicados desde 1994 y 1995 en la manufactura de las turbinas Pratt & Whitney.
Obteniendo la capacidad de la máquina
El primer reto en el control de proceso es asegurar que las máquinas-herramienta sean capaces de obtener y mantener las tolerancias de las piezas. Nosotros tratamos una máquina-herramienta de la misma manera que las galgas. Estas tienen que ser calibradas dentro de una programación periódica o antes, si se presenta algún problema. La calibración de las máquinas-herramienta la hacemos por láser.
Después de la calibración (y de cualquier ajuste de máquina, si está indicado), medimos su exactitud comprobando la posición contra una barra escalonada de precisión. Este procedimiento define la trazabilidad de acuerdo con el Instituto Nacional de Estándares y Pruebas y genera una nueva línea base para la máquina.
Tenemos nuestros estándares internos de calibración, escritos para cada tipo de máquina-herramienta, que sirven de guía a los técnicos sobre lo que deben hacer y cómo hacerlo. El procedimiento no sólo considera la calibración de ejes individuales sino también de efectos geométricos. Por ejemplo, los resultados de calibración de ángulos en los tres ejes pueden ser introducidos en una hoja electrónica con la que se calcula el error acumulativo y a la vez reporta cuándo la máquina satisface o incumple los estándares establecidos.
Nuestros estándares para programas de palpación requieren una calibración dentro del 10% de la tolerancia de pieza, lo que representa un reto considerable en el contexto de grandes piezas de turbina, con tolerancias excepcionalmente ajustadas. Como un ejemplo, las carcasas contenedoras de ventiladores iso-retícula no pueden exceder ±0,010" de diámetro en cerca de 10 pies, 0,030" de error de redondez en la circunferencia exterior, o ±0,004" en alturas de aproximadamente 5 pies. En consecuencia, la calibración de un eje a diez milésimas de pulgada es un valor utilizado con frecuencia.
Inicialmente, calibrábamos el rango total del eje de la máquina, pero encontramos que esto mantenía las máquinas fuera de línea más del tiempo deseado. Ahora, calibramos el rango de la pieza de trabajo, en la medida en que no haya evidencia de deterioro del proceso. Hemos encontrado que esta zona de calibración es efectiva para mantener las capacidades de la máquina y para que sea significativamente más eficiente.
Contraste de medidas con referencia a artefactos
La exactitud puede ser introducida a una máquina-herramienta con la ayuda de un artefacto --una réplica de una pieza o componente que tiene las dimensiones actuales de la pieza definidas en una CMM a 68 ºF--. Teniendo el palpador de la máquina con el artefacto se detecta cualquier diferencia entre la dimensión conocida y la dimensión medida. Las diferencias se utilizan para definir los valores de desviación que compensan las condiciones actuales de la máquina.
En efecto, un artefacto realiza la misma función para el palpador que un juego patrón en la calibración del cero en indicadores de dial y de galgas. Un artefacto también puede ser utilizado para definir la referencia de la pieza, indicando a la máquina su posición.
En Pratt & Whitney, el artefacto puede ser parte de la fijación o puede estar montado en la máquina. En algunos casos, el artefacto puede ser tan sólo una plantilla de galga. Para rasgos críticos, fabricamos artefactos específicos de proceso. Podemos realizar un orificio en una fijación para asegurar que las alturas y posiciones angulares sean correctas. Para la carcasa compleja de ventilador, que cuenta con una configuración de cercha exterior iso-reticulada, creada por el mecanizado de 1.600 cajas triangulares, el artefacto es una caja mecanizada. Los tornos de torreta vertical (VTL) pueden tener ‘pistas’ circulares como artefactos, para representar medidas de diámetros internos y externos. Una ‘pista’ es una ranura mecanizada en el diámetro exterior de la fijación de torneado, inspeccionada y verificada por nuestra organización de calidad, con su tamaño real estampado como referencia en la determinación de desviaciones.
Los artefactos son calibrados con una frecuencia determinada por nuestra organización de calidad.
Estrategia completa de palpación
La clave para mantener ajustados los procesos y el control de calidad sobre los componentes de motores es la aplicación completa de la palpación de piezas, la verificación de procesos y la realimentación.
Los programas de inspección siguen esta secuencia:
Como a menudo utilizamos múltiples palpadores en las rutinas de inspección, hemos desarrollado rutinas de determinación automática de ceros, de tal manera que los palpadores son ligados unos con otros. Esta práctica utiliza un palpador calibrado a cero como referencia para calibrar otro. De esta manera, se asegura que los palpadores estén sincronizados y midan lo mismo. Las rutinas de determinación automática de ceros son imperativas para asegurar que alcanzamos las exactitudes requeridas.
Las rutinas de palpación para piezas nuevas son probadas antes de ser aceptadas. A fin de obtener la aprobación de calidad para los programas de palpación, palpamos la nueva pieza y grabamos todas las dimensiones. Luego las comparamos contra un método alternativo, por ejemplo, una CMM, galgas, u otra máquina-herramienta calibrada. Las medidas de palpación sobre la máquina son comparadas con las de los métodos alternativos. Las diferencias deben estar dentro de 10% de la tolerancia de la pieza para la aprobación de calidad del programa de prueba.
Para mejorar aún más la exactitud de la palpación, se adiciona compensación de disparo a los offset de calibración. La compensación reconoce que la palpación es una actividad dinámica en la que un palpador puede no capturar la posición exacta del contacto --es decir, el eje de la máquina puede desplazarse antes que la deflexión del palpador permita que la posición del eje de la máquina sea capturada por el control--. Esta necesidad de compensación se determina tomando varios contactos durante el desarrollo del programa de palpación y comparando las lecturas del palpador con las dimensiones conocidas. Si encontramos que el palpador viaja y se desplaza una milésima, aplicamos compensación de disparo. Esos ajustes son extremadamente finos, y nunca exceden más de 0,001" o 0,0015".
Antes de cortar, palpamos todas las herramientas que se van a utilizar para definir las desviaciones desde las líneas centrales del husillo y desde la cara del husillo. Se tiene que saber dónde están las puntas de las herramientas. En aplicaciones de fresado y taladrado, podemos palpar el número de estrías en el escariador, verificar las estrías faltantes, descentramientos y medir diámetros. Nosotros colocamos expresiones en los programas de palpación que definen ventanas de tolerancias para el herramental, de tal forma que una herramienta será rechazada y el proceso detenido para prevenir que se utilice la herramienta mala. También podemos hacer compensación para herramientas que hayan sido rectificadas a un diámetro ligeramente diferente.
Después de los cortes de desbaste, hacemos cortes de semiacabado. Siempre tratamos de retirar la misma cantidad de material en semiacabado que en acabado. Palpamos el corte de semiacabado para determinar posibles deflexiones de la pieza, la herramienta, el desgaste de la herramienta y otros factores.
Luego hacemos el mecanizado de acabado de la pieza. Los palpadores son calibrados a cero con los artefactos antes de hacer la palpación final de inspección. Los datos de inspección se utilizan para aceptar o rechazar la pieza y son cargados a nuestra base de datos AMIS (Automated Machine Inspección System, sistema de inspección de mecanizado automático) para el análisis estadístico del proceso.
Configuración del palpador
Utilizamos algunas configuraciones especiales de palpador, particularmente cuando se integran múltiples cabezas y puntas en un ensamble palpador/portaherramienta. La mayoría se ensambla en nuestra sala de herramientas utilizando cabezas de palpador, puntas y componentes Renishaw estándar. En algunos casos, utilizamos palpadores fabricados especialmente para nosotros por Renishaw. Los ensambles de palpadores ahorran espacio en la cadena de herramientas, comparados con el almacenamiento de palpadores individuales, siempre que se asegure que los diferentes palpadores tienen entre ellos relaciones dimensionales fijas conocidas.
La configuración de palpadores depende de la geometría, rasgos y tamaño de la pieza, de qué tan lejos tenemos que llegar y en qué parte de la pieza necesitamos que el palpador haga contacto.
La Figura 2 muestra un palpador T utilizado en un VTL (torno de torreta vertical) de cuatro ejes con cabezal principal X-Y y un cabezal lateral con ejes U-W. Cerca de la parte superior derecha hay un palpador MP3 para el proceso de palpación de las herramientas del cabezal lateral. La T en la parte inferior tiene dos palpadores LP2, utilizados para palpar rasgos de la pieza y definir referencias de pieza —diámetros y alturas—. La punta corta en la porción superior del portaherramientas puede ser utilizada para la autocalibración a cero.
La configuración del palpador puede ser variada de acuerdo con la pieza. Por ejemplo, en lugar de la T en la parte inferior, podemos usar el palpador ‘sombrero mexicano’ (punta ala de gaviota) o un palpador recto.
Adicionalmente al conjunto de palpador en T, el VLT está equipado con un palpador basculante MP3 montado en la máquina, que palpa las herramientas del cabezal principal. Colocamos un artefacto en el cabezal principal, y con su ayuda calibramos a cero el palpador basculante. Luego calibramos a cero el palpador principal de herramientas MP3 (utilizado para calibrar las herramientas del cabezal lateral) con respecto al palpador basculante, ligándolos de esta manera. Luego ajustamos la tensión del resorte del palpador basculante haciéndolo un poco más rígido, para permitir que el palpador principal se desplace primero.
La Figura 3 muestra un palpador MP10 utilizado para medir cajas iso-retícula. El disco permite hacer mediciones de sobrecortes de viga en I y evita que el vástago del palpador haga contacto con las paredes de la retícula.
Programación de inspección automática
Empezamos a usar software comercial recientemente, para simplificar y acelerar el desarrollo de la programación de inspección, automatizando algunas operaciones. Utilizamos las funciones de la plantilla de nuestro sistema CAD/CAM de Unigraphics para definir la posición y crear algunas subrutinas. Por ejemplo, podemos crear una subrutina para una caja y luego tan sólo reubicar el palpador para hacer diferentes cajas. Aún no hemos desarrollado totalmente la palpación gráfica hasta el punto de que todo sea automático, pero nos movemos en esa dirección.
Vemos que la inspección debe seguir el camino del mecanizado. En Pratt & Whitney ahora tenemos modelado 3D del proceso de mecanizado --máquina, fijación y pieza-- simultáneamente en la pantalla. Podemos hacer mecanizado virtual de la pieza, detectar y eliminar interferencias, refinar trayectorias de herramienta y verificar gráficamente el programa. Todavía no podemos simular gráficamente la inspección, pero eso es lo que buscamos.
Utilizamos software Vericut para protección contra colisiones en el desarrollo de programas de inspección. El software verifica el posicionamiento del palpador en relación con la pieza.
Beneficios del control de proceso
Los datos de inspección de piezas son un recurso valioso en la optimización y planeación del proceso.
Utilizamos los datos generados para la certificación del proceso. El registro de rendimiento le permite a un ingeniero de manufactura ver, a partir de los datos, cuándo está cambiando el proceso. También alerta sobre el inicio de la pérdida de control del proceso, lo que nos permite investigar y corregir la situación antes que se produzca una pieza mal conformada.
Los datos de proceso son utilizados para calcular el Cpk (relación de estabilidad de proceso) y refinar estrategias. Una vez demostramos la estabilidad del proceso y nos mantenemos sobre 2.0 Cpk, podemos estar tranquilos y reducir el muestreo de inspección de las piezas. Por ejemplo, la rutina final de inspección de la carcasa de ventilador de la figura 1 inicialmente tomaba cuatro horas, gran parte de este tiempo en la medición de las cajas triangulares que conforman la estructura iso-reticulada tipo cercha. Una vez se ha almacenado suficiente historia, podemos permitirnos el cambio del plan de inspección y reducir el número de cajas que revisamos. Ahora la inspección final la realizamos en menos de dos horas.
El control estable del proceso es particularmente importante en nuestra estrategia para reducir el peso de los componentes, clave para nuestros productos de motor. Al estar en capacidad de controlar cuidadosamente el espesor, podemos buscar la reducción y eliminar peso. La carcasa del ventilador, por ejemplo, se inicia como una pieza forjada de aluminio de más de 4.000 libras de peso. El proceso inicial se hace en un VTL, en el que se tornean los diámetros interior y exterior hasta obtener un espesor de pared de cerca de 3". El torneado ligero, con cabezales opuestos que cortan simultáneamente los diámetros interior y exterior, ayuda a balancear las fuerzas de corte. Enseguida, la carcasa es transferida a una alesadora horizontal de 142", donde se mecaniza la parte exterior de la estructura iso-reticular. Las 1.600 cajas triangulares son mecanizadas hasta un espesor de cerca de 1 1/4", mientras que las paredes de la retícula se reducen para crear un perfil seccional de viga en I. El diseño de iso-retícula proporciona resistencia estructural, mientras el cajeado permite la reducción de peso. Al final, el peso de la carcasa ha sido reducido a tan sólo 450 libras.
Hay otra ventaja al tener datos de inspección adquiridos en la máquina-herramienta. Estos datos ayudan a la compañía a diseñar las piezas con criterios de manufactura, mediante un proceso que llamamos mecanizado de lazo cerrado. Enviamos estos datos históricos de producción al departamento de ingeniería para ayudar a hacer diseños más manufacturables. El diseño se convierte en un esfuerzo de mayor colaboración. Los diseñadores pueden crear formas y definir tolerancias de acuerdo con la capacidad de las máquinas, lo que da como resultado una mayor calidad y componentes de menor costo.
Por ejemplo, los datos de capacidad de proceso en el caso de la carcasa iso-retícula para el ventilador fueron usados por ingeniería de diseño para definir las tolerancias de rasgos, de acuerdo con las capacidades de proceso demostradas, de una carcasa de ventilador de 100" de diámetro para una turbina diferente. Ahora, los datos históricos del proceso de estas dos carcasas son aplicados para el diseño de una tercera carcasa para otra turbina.
Potenciador poderoso
Al final, la automatización de la inspección en máquina se ha convertido en un poderoso potenciador en Pratt & Whitney. Ha ayudado a evitar inversiones de capital, a reducir tiempo y costos del trabajo de proceso, a mejorar la exactitud de las máquinas-herramienta, y a proporcionar realimentación para lograr mejoras en el proceso y en el diseño para la manufacturabilidad.
© Reproducido de Modern Machine Shop con autorización expresa del editor.
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