Sujeción, componente clave en la evolución del mecanizado

Con el desarrollo de la tecnología de control numérico (NC), el mundo de las máquinas herramienta comenzó a experimentar ciertos cambios, pues los husillos alcanzaron velocidades de 2,000 rpm y, entonces, hablar de 5,000 rpm se consideraba algo impresionante.

Era el primer paso, ya que la llegada del control numérico computarizado (CNC) y la introducción de la PC en la industria, los avances realmente importantes empiezan a ocurrir. Así, en los años 90 la fresadora de varios ejes con mesas giratorias se volvió más sofisticada; la precisión de las máquinas mejoró y aparecieron las máquinas tipo Jig (o por coordenadas), según el testimonio de la empresa alemana Diebold, fabricante de componentes para máquinas-herramienta.

Antes de esta tecnología, dice Heinrich Arnold, investigador de la Universidad de Munich, en su artículo The recent history of the machine tool industry and the effects of technological change, los fabricantes de máquinas herramienta se especializaban en tecnologías específicas para máquinas de torneado, rectificadoras o fresadoras, por mencionar algunos; sin embargo, la introducción de controles numéricos llevó a la combinación de varios procesos de corte en máquinas con mayor flexibilidad.

En los últimos años el mecanizado de alta velocidad (HSC, por sus siglas en inglés) ‘elevó la barra’ para el desarrollo de nuevas herramientas; hoy en día las mejores máquinas son capaces de cortar una pieza circular con una precisión de micras a velocidades que representan un gran reto para los fabricantes de herramientas de corte, portaherramientas y sistemas de sujeción.

“Cuando se pasó de las máquinas convencionales a las máquinas automatizadas, el cambio fue vertiginoso, en esas fechas aproximadamente se empezaba a manejar el control numérico, la programación para la máquina”, explica Jesús Roviroza de la División de Ingeniería Mecánica e Industrial de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)”.

Ahora, dice, la tecnología permite saber cuándo se desafiló el inserto y la propia máquina puede compensar ese problema para que siga dando la misma medida siempre. “Entonces la ventaja es que se hacen ahora piezas en mayor número y con la misma calidad, esa es la diferencia del antes y ahora, que se pueden hacer piezas más rápido. Una pieza que antes podría tardar mediodía en ser maquinada, en la actualidad puede requerir de entre 10 minutos a media hora; realmente es increíble cuánto se ha reducido en tiempo”.

La revolución del CNC
Una vez que las máquinas herramientas fueron controladas mediante el CNC, los fabricantes se tuvieron que replantear el diseño de las propias máquinas, pero también de las herramientas de corte y sus accesorios.

Las capacidades de los sistemas de sondeo y adaptación de las máquinas CNC elevaron el nivel de precisión en el mecanizado. Según Heinrich Arnold, dos técnicas fueron fundamentales para un salto cuántico en la precisión de la pieza: las deficiencias geométricas de las máquinas pudieron corregirse mediante el uso de software; además la temperatura de las piezas de trabajo y las máquinas se corrigieron durante el proceso con ayuda de los sistemas de sondeo, lo que restó importancia a los problemas de temperatura.

Además del control numérico y la PC, los drives o motores eléctricos que controlan el número de revoluciones entre el motor y la herramienta, son otra de las tecnologías que impulsaron los cambios y permitieron que el movimiento del motor fuera recto, curvo, que girara, etcétera, dando mayor flexibilidad a las máquinas.

“Los cambios más importantes se produjeron en los controles. Los controles de encendido y apagado de los drives activan los engranajes y las abrazaderas, y dirigen el movimiento de las herramientas. Según qué técnica utilizan, los controles se clasifican en mecánica, en algunos casos en hidráulica y neumática, y por último en controles eléctricos, este último hoy en día por lo general se basa en lógica digital. Así que esta tecnología logró alterar toda la industria”, explica Heinrich Arnold.

Estas tecnologías han llevado a alcanzar altas velocidades y tolerancias extremadamente estrechas. Y la respuesta de los fabricantes de maquinaria y equipo a estas exigencias ha sido el desarrollo de nuevas soluciones en herramientas, portaherramientas y sistemas de sujeción, ya que todos estos son elementos clave en la obtención de piezas con alta precisión dimensional y calidad de la superficie.
“Hoy en día podemos encontrar no solamente portaherramientas de un diámetro a sujetar o de un diámetro de zanco, sino una gran variedad en diferentes tipos de interfaces para las diversas máquinas que existen en el mercado: HSK, BT, CAT, SK, Capto”, asegura Manuel Maldonado, especialista de tecnología de sujeción de la empresa alemana Schunk.

Lo que tenemos actualmente, explica por su parte el académico de la UNAM, es que a partir de esas innovaciones y de los avances propios de las máquinas herramientas, se han ido haciendo mejoras tanto en herramientas como en sistemas de sujeción, ya que mientras más avanzadas son las máquinas, más complejas deben ser las herramientas.

Para Satoshi Ibaraki, gerente de Ventas de Maquinado de Kosmek, una de esas innovaciones fue lograr que la potencia de 1000 psi (7 MPa) de la máquina se pueda utilizar para la sujeción de piezas, lo que evita tener una bomba de potencia hidráulica externa adicional a la máquina.

El especialista destaca que el sistema mecánico de bloqueo de cuña incorporado en muchos actuadores (Link Clamp, Swing Clamp, Hole Clamp, cambiadores de herramientas para robot multi-eje) y puede generar acciones de fijación y sujeciones con gran fuerza.

Angel Valle, gerente de Ventas para México y Latinoamérica de Schunk, ahonda en este tema al hablar de desarrollos recientes como grippers con vías dentadas, ranuras en C para montar directamente los sensores magnéticos.

“Una de las innovaciones interesantes que tenemos es la fabricación de dedos para sujeción”, añade Valle. “Anteriormente utilizábamos dedos de aluminio y en acero fabricados con procesos de maquinado convencionales. Ahora tenemos dedos fabricados en manufactura aditiva. Del diseño se hacía el maquinado, ahora en Schunk podemos imprimir un dedo con un diseño específico, los cuales están hechos de polímeros muy resistentes, empleados por ejemplo en la industria automotriz, donde ofrecen ventajas como la colocación de muelles para no dañar las piezas, pueden ser de cambio rápido, y podemos hacerlos de formas complejas y con tiempos de fabricación menores (de semanas a un par de días). Ahora tenemos ya una gran gama de posibilidades, prácticamente podemos producir cualquier tipo de dedo que requiera un cliente”.

Portaherramientas y sujeción
Los sistemas de sujeción tanto para las herramientas como para la pieza de trabajo han ido variando de forma simultánea a los alcances de las máquinas y los fabricantes han desarrollado una amplia gama de éstos: portapinzas, portabrocas, portafresa, tipo Weldon, portainsertos, portaherramientas hidráulico y el de contracción térmica, ranuras, shanks, chucks o mandriles, prensas, conos, mordazas, platos, puntos, lunetas.

En lo que respecta a fijación y sujeción se han presentado avances significativos en los últimos años, sobre todo debido a la incorporación de herramientas mecatrónicas, las cuales han incorporado tanto sistemas mecánicos como electrónicos y con tecnología digital, explica Mike Hunter, gerente de desarrollo de negocio de la empresa Komet, un apasionado y experto en tecnologías relacionadas con las máquinas herramienta. “Las nuevas tecnologías de sujeción permiten ahora a las empresas trabajar con más rapidez y mayor flexibilidad”, asegura Hunter.

Los alcances que ha tenido la tecnología de sujeción en los últimos años, se pueden resumir quizá en una de las soluciones de la compañía Schunk, que en los 80 patentó la primera ‘mano’ o pinza industrial que con componentes mecánicos simples, basados en módulos inteligentes, da al usuario una opción de manipulación flexible. Para el año 2000 perfeccionó el sistema proporcionándole una guía multidentada, y en 2012, presentó la mano de cinco dedos que tiene la movilidad, forma y tamaño de la humana.

En cuanto a portaherramientas, se creó el sistema alemán HSK que data de los años 90 y uno de los más utilizados hasta ahora; por esa época, en Japón se desarrolló el Big Plus, y el Capto de Coromant. En el año 2000, en Alemania, un consorcio de empresas (Marquart, Diebold, Bilz y Komet) desarrolló la tecnología Thermogrip (termo-retráctil o de contracción térmica) (THT), que mediante la dilatación por calor del metal permite insertar la herramienta y al enfriarse ésta queda sujeta.

La década de 1990 se caracterizó por la demanda de múltiples sistemas de sujeción que pudieran utilizarse tanto en centros de mecanizado verticales como horizontales. Fue entonces que la empresa Allmatic fabricó un dispositivo de sujeción de ocho vías especialmente para máquinas de palets horizontales. Al mismo tiempo, estableció el principio de diseño modular, permitiendo que los sistemas de sujeción fueran equipados con mordazas. Esto tenía la ventaja de que podrían utilizarse de forma más flexible y de forma universal.

Para 2004, introduce los grippers como nueva tecnología de sujeción que permite que las piezas sin mecanizar o con superficies irregulares sean sujetadas con seguridad. En operaciones de fresado, según la propia Allmatic, es muy utilizada para llevar la velocidad de corte hasta el límite de sujeción segura.

Los principales avances en portaherramientas –dice Manuel Maldonado, de Schunk- se han dado en los sistemas hidráulicos, los cuales aceptan cualquier diámetro y cualquier interface, además, permiten incrementar los parámetros de corte debido a la fuerza de sujeción comparado con un portaherramientas mecánico. La ventaja es que el hidráulico absorbe la vibración debido a la cámara de aceite, y da un mejor acabado en la pieza de trabajo, así como una mayor vida útil en la herramienta.

Los beneficios son lógicamente para todos los sectores industriales: automotriz, aeroespacial, militar, petrolera, electrodomésticos, etcétera, como comenta Satoshi Ibaraki de Kosmek, quien afirma que al mejorar la sujeción y dar mayor rigidez en el mecanizado, se logra una mayor calidad de las piezas para reducir la proporción de rechazos para el cliente. Las características de candado mecánico le dan mucho más rigidez a los fixtures (montajes) del cliente, lo cual ofrece una mayor calidad en el maquinado y reduce el rango de rechazo en los procesos de trabajo.

Los desarrollos se han especializado a tal punto que ahora existen chucks o mandriles que son capaces de compensar los errores de longitud que ocurren durante la inversión de marcha en operaciones de ‘enroscado rígido’, asegurando mayor vida de la herramienta, como lo explica el ejecutivo de Komet.

Otros sistemas como el cambio rápido de palets, por ejemplo, ya ofrecen ahorros de hasta 90% en costos de set-up; y están las mesas magnéticas que dan sujeción de hasta 102 toneladas por metro cuadrado, con acceso a cinco caras de la pieza de trabajo y set-up en cuestión de minutos.

Actualmente en el mercado se pueden encontrar chucks manuales, hidráulicos, o neumáticos con cambios de mordazas en segundos; así como mordazas que no necesitan retirarse del chuck para el cambio de insertos, incluso, hay alternativas bastante nuevas como las mordazas de fibra de vidrio con un coeficiente de fricción tres veces menor que el acero, de mucho menor peso que dan excelentes resultados en operaciones finales. Y la especialización es la tendencia.

Insertos o plaquitas
En este contexto, la tecnología de insertos de metal duro, desarrollados por Phillip M. McKenna, en los años 60, fue una respuesta de los fabricantes de herramientas a las nuevas capacidades de las máquinas de mecanizado. Las plaquitas intercambiables como también se les conoce se han perfeccionado en los últimos años, logrando combinaciones de avances elevados y acabados de superficie mejorado.

Como explica Luis Schvab, especialista en máquinas-herramienta, con estas tecnologías los fabricantes han sabido responder a las nuevas operaciones de mecanizado, a fin de hacer frente a los procesos de Mecanizado de Alta Velocidad (MAV), el Mecanizado de Altos Avances (MAA), o los sistemas de acabado Wiper.

El MAV abrió la posibilidad del mecanizado de materiales y figuras que no se podían mecanizar convencionalmente, como los materiales con una dureza superior a 50 HRC o paredes delgadas de 0.2 mm.

“Al permitir que se duplique el régimen de avance, los insertos pueden reducir los tiempos de mecanizado a la mitad y mejorar tanto el acabado de superficie como el control de virutas. El sistema Wiper permite obtener con radios convencionales, (0,4; 0,8 mm) mejores terminaciones con un mismo avance, o lograr la misma terminación, aplicando el doble avance (f= 2 avances), reduciendo los tiempos a la mitad”, dice Schvab. Asimismo, los portainsertos y los sistemas de sujeción para estas herramientas de corte también se han ido mejorando.

Luego de la publicación de las normas ISO para este dispositivo en los 70, se convirtió en la herramienta de corte más vendida en el mundo. A tal punto que a decir de James T. Baker, presidente de Sandvik Coromant Estados Unidos, durante la apertura de una de sus plantas, “la región del TLCAN es el mayor mercado global para los insertos como herramienta de corte”.

Sus aplicaciones son innumerables pues se usan para operaciones de torneado, fresado, tronzado o cualquier tipo de maquinado, y cuentan con variedad de formatos, ángulos de corte y son aptos para cualquier tipo de material a mecanizar.

En opinión de Jesús Roviroza, de la UNAM, la norma ISO extendió el uso de los insertos al determinar las características específicas de dimensión, afilado, recubrimiento y tipo de sujeción.

Y asegura que tanto los estándares internacionales como la automatización, han impulsado las mejoras que se han hecho a partir de entonces, lo que a su vez ha llevado a conseguir mayor calidad, productividad y menores costos en la producción.

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