Beneficios del torneado horizontal en máquina de torno-fresado

En Stein Seal en Kulpsville, Pennsylvania, el apodo para esta pieza es simplemente la “campana”. Es apropiado, porque este montaje de rodamiento y soporte de sello en titanio tiene una forma muy parecida a una campana.

Con aproximadamente 12 pulgadas de alto y 18 pulgadas de diámetro en la boca, este componente aeroespacial tiene un buen número de características críticas al fondo del extremo cerrado de la cavidad, incluidas superficies de contacto del rodamiento y socavaciones. Las tolerancias de estas características es ±0.0005 pulgadas. Estas estrechas tolerancias son necesarias porque dichas características son interfaz con un rodamiento de precisión esencial para la función de la parte.

“En 2013, cuando el cliente nos contactó por primera vez para realizar esta parte, le aseguramos que podríamos. Ciertamente, estaba dentro de nuestras capacidades técnicas”, dice Gary Schuler, gerente de manufactura en Stein Seal. La complejidad y precisión de la parte obedecían a los sellos del motor aeroespacial que son el principal negocio de la compañía. Sin embargo, cuando este cliente explicó que el contrato de varios años tenía que cumplir cierto punto de precio por pieza, Schuler no estaba tan seguro.

El plan para el proceso inicial involucró unas 40 horas de tiempo de procesamiento en máquinas de torno-fresado verticales. Sólo unas 20 horas del tiempo total representaban operaciones de remoción de metal. Debido a que este plan requería una secuencia de corte, sondeo, compensación del programa y nuevamente corte, el tiempo de no mecanizado era sustancial. Se añadieron múltiples rutinas de fijación y localización que no añadían valor a la parte.

A pesar de esto, Stein Seal acordó poner la campana en producción cuando vio métodos de manufactura que reducirían el tiempo sin valor y agilizarían las operaciones de corte de metal.

La compañía estaba por invertir en varias máquinas nuevas de torno-fresado verticales, que estarían dedicadas a esta parte, cuando Scott Thomas, un ingeniero de ventas para Jones Kinden Co., un negociante de maquinaria cerca de West Chester, Pennsylvania, le mostró al señor Schuler y a su equipo un catálogo que ofrecía una máquina que ellos no habían visto antes.

Recientemente, Jones Kinden se convirtió en representante de Grob Systems en Bluffton, Ohio. Grob, un fabricante de máquinas-herramienta con sede en Alemania y proveedor principal de grandes sistemas de mecanizado y ensamble automatizado para fabricantes de autos, había escogido a este comerciante en su campaña de expansión de ventas de máquinas-herramienta independientes.

Las máquinas universales Grob descritas en el catálogo tenían varias características y capacidades exclusivas que, literalmente, le daban un giro a las ideas del proceso que tenía Stein Seal en su cabeza para hacer la parte de campana.

Lo más especial era que la máquina de torno-fresado de Grob tenía un husillo de mecanizado horizontal que a un lado contaba con un Trunnion que podía girar la mesa de trabajo completamente boca abajo. La mesa es capaz de rotar una pieza de trabajo a velocidades apropiadas para operaciones de torneado de servicio pesado. Al final, el inesperado giro en la idea del proceso para esta parte llevó a Stein Seal a comprar una máquina universal G550T de Grob. Fue la capacidad de desarrollar operaciones de torneado en una máquina con un husillo horizontal lo que “selló el negocio” con esta tecnología.

Sin embargo, una clase nueva y diferente de torno-fresado fue sólo una parte de este enfoque renovado para producir la campana. Un sistema de lanzamiento de pallets, un centro de carga de precisión, dos tipos de sondas y un paquete especial de herramientas de corte completarían el panorama.

Con estas instalaciones en sitio, Stein Seal ahora realiza la campana por las noches en modo “sin luces” o desatendido, usando dos fijaciones paletizadas –una para mecanizar el exterior de la campana, la otra para el interior–. Esto garantiza que una campana se termine en un turno nocturno de 12 horas y significa una reducción del 66 por ciento en el tiempo del proceso total.  

“De esta forma, podemos lograr el objetivo de costo propuesto por nuestro cliente y cumplir todas las especificaciones de calidad”, dice Schuler. Y durante el turno diurno con personal, esta máquina produce diferentes componentes de sellos de motor que también se benefician de la configuración inusual y de la capacidad de la máquina.

Con el éxito de este torno-fresadora firmemente establecido, Stein Seal se comprometió con un segundo G550T para instalarlo en marzo de 2016. Cuando se complete, esta celda de dos máquinas satisfará los requerimientos de producción del contrato para la campana y posiblemente los de una versión ligeramente más pequeña de la parte que está en desarrollo.

Sellos de muchos estilos para aplicaciones aeroespaciales

Este enfoque de confrontar los retos asociados con la campana de titanio realmente representa la clase de compañía que es Stein Seal. Esto refleja su larga historia de innovación, pensamiento creativo e ingeniería experta dedicada a los sellos aeroespaciales, industriales y nucleares.

De hecho, Stein Seal fue fundada como una firma de diseño e ingeniería especializada en sellos para aplicaciones críticas. El fundador, Philip Stein Sr., inventó el sello circunferencial, el cual permite que los componentes rotativos bloqueen el paso de gases o materiales entre cámaras adyacentes. Esos sellos fueron esenciales para el diseño de los motores de jet modernos y las turbinas de generación de energía. La compañía comenzó a manufacturar esos sellos en 1955.

Hoy, Stein Seal diseña, fabrica y prueba muchos tipos de sellos para aplicaciones que van desde motores jet comerciales y militares hasta turbinas de generación, compresores, bombas y muchos otros componentes. La compañía es mejor conocida por los sellos circunferenciales que diseña y fabrica para los motores aeroespaciales.

Los dos componentes principales de estos sellos son la caja metálica (cuyo diámetro exterior se adapta al diseño del motor del cliente) y el anillo de segmentos de grafito de carbono que forma el diámetro interior. La tecnología propia de Stein Seal para producir los componentes de grafito de carbono puede ser su mayor reconocimiento.

La compañía tiene plantas de manufactura en Pennsylvania, México e India, siendo la planta de Kulpsville su principal centro de diseño, ingeniería, manufactura y prueba.

Las sólidas raíces de ingeniería de la compañía están reflejadas en sus prácticas de manufactura, disciplinadas y actuales. Por ejemplo, la manufactura ligera, las celdas de mecanizado y los regímenes de calidad Six Sigma han estado funcionando y bajo renovación constante desde los años ochenta. Este es un hecho importante porque explica el contexto en el cual han sido desplegados la nueva máquina y su equipo auxiliar.

Stein Seal ha sido capaz de maximizar el valor de las exclusivas características y capacidades de esta máquina, instalando sistemas bien considerados e implementados con experiencia para automatizar y mejorar su capacidad productiva. Todos ellos contribuyen al notable éxito de lograr las metas de costos y calidad de la caja de la campana. Para entender cómo funciona todo esto, el mejor lugar para empezar es en el centro, con el Grob G550T.

Una mesa para tornear

Como se mencionó antes, el primer atributo del G550T que llamó la atención del señor Schuler y su equipo fue la orientación horizontal del husillo de mecanizado. “Debido a que la campana tiene tolerancias estrechas y características difíciles en el fondo de su cavidad, mecanizarla en una máquina vertical es inherentemente problemático”, explica Schuler. “Por un lado, necesitábamos herramientas largas para alcanzar el interior de la cavidad. Por otra parte, limpiar las virutas era difícil”.

Alcanzar el interior desde el lado en una máquina horizontal aliviaba ambos problemas. Podía usarse una herramienta mucho más corta para llegar al interior de la cavidad –una saliente de 6 pulgadas en lugar de 14, por ejemplo–. Y las virutas no se asentarían en el fondo de la campana.

La otra característica que era llamativa era la mesa de trabajo rotativa y giratoria en la columna vertical del eje Y. “Nunca habíamos visto una máquina con una configuración como esta, y estábamos emocionados al ver que la capacidad de giro y rotación estaban combinadas en la mesa”, cuenta Schuler.  

Este diseño le da a la máquina una capacidad de mecanizado total en cinco ejes y le permite funcionar como máquina universal. Es decir, la mesa puede sostener una parte en una posición hacia arriba (vertical) o girarla 90 grados para trabajo horizontal. En cualquier posición, la mesa puede rotar a 800 rpm con un torque de 1,025 pies-libra, dándole una verdadera capacidad de torneado.

De hecho, la mesa puede rotarse 180 grados, con lo cual se gira la parte completamente boca abajo. “Nadie que conociéramos tiene una máquina como esta”, indica Schuler. “Al principio pensamos que podríamos usar esta rotación de 180 grados para limpiar las virutas, como volteando una taza de cereal. Como se demostró, el refrigerante a alta presión fue suficiente para barrer las virutas cuando la parte estaba de lado”.

Conociendo a Grob

Aunque el diseño de la G550T fue una sorpresa para el señor Schuler, encontrar a Grob como fabricante de máquinas-herramienta también lo fue. “Nunca habíamos escuchado de ellos. Todas nuestras demás máquinas CNC vienen de marcas familiares, alemanas o japonesas. Teníamos que saber quién era Grob”, dice Schuler. El interés inicial en el torno-fresador lo motivó a visitar la planta de Grob en Estados Unidos, en Bluffton. Lo acompañó Ted Barone, supervisor/programador CNC del taller de Stein Seal.

Ellos se enteraron de que Grob es uno de los fabricantes de máquinas-herramienta más grandes de Europa, y que la planta de Ohio tiene una capacidad de construcción de máquinas similar a la de la sede principal de la compañía en Mindelheim, Alemania, aunque a menor escala.

Debido a que Grob se ha enfocado históricamente en la industria automotriz, localizó su planta en Bluffton, a pocas horas de ruta de las principales plantas de automóviles en Michigan, Ohio, al norte de Kentucky y al occidente de Pennsylvania. En los últimos 10 años, Grob también ha estado desarrollando su línea de centros de mecanizado universal independientes y mercadeándolos más agresivamente en todo el mundo. El empuje de esta mercadotecnia en Estados Unidos emana, por supuesto, de Bluffton.

Sin embargo, la visita de Stein Seal a Bluffton fue más que una sesión de reconocimiento. “Teníamos algunos puntos específicos sobre la tecnología de la G550T que queríamos verificar”, comenta Schuler. Por ejemplo, él y Barone querían tener la certeza de la rigidez de la mesa de trabajo giratoria y rotativa, porque estaba soportada sólo de un lado. Ver cómo la columna grande y masiva balanceaba el peso de la mesa les dio buenas impresiones del diseño y la ingeniería que maximizan la rigidez.

De la misma forma, ellos pudieron ver cómo el motor del torque con tracción directa que potencia la mesa de trabajo entrega suficiente velocidad y fuerza para las operaciones de torneado. Lo compacto de este motor añade agilidad para rotar 180 grados mientras minimiza los problemas de espacio libre. “Otra característica de diseño que queríamos explorar era el husillo de mecanizado totalmente retráctil”, recuerda Schuler.

Debido a que el husillo de mecanizado se retrae hacia la columna, se retira completamente del camino de la acción giratoria de la mesa de trabajo. Para la campana, tenía que estar disponible la zona de trabajo completa para acomodar la pieza de trabajo y sus fijaciones especiales. Finalmente, Schuler y Barone querían discutir detalles para un sistema de cambio de pallets, una unidad de almacenamiento de pallets y un centro de carga de precisión.

No mucho después de esta visita, todo estuvo listo para dar luz verde a la máquina de torno-fresado. Hacia Noviembre de 2014, la G550T estuvo en la planta de Kulpsville de Stein Seal. Fue la primera de estos modelos en instalarse en Estados Unidos. Sin embargo, esta no fue una instalación sencilla. Stein Seal, Grob y Jones Kinden tuvieron que aplicar algo de diligencia e ingenuidad para completar todo el proceso. Ciertos aspectos clave de la instalación merecen examinarse en detalle.

Requerimientos para alcanzar el mecanizado desatendido

Para lograr una producción desatendida confiable de la campana, minimizando el tiempo que no agrega valor, Stein Seal identificó cuatro requerimientos principales: paletización, calificación de la parte fuera de la máquina, sondeo en la máquina y una estrategia de herramental efectiva.  

Paletización. Un sistema de pallet que hace interfaz con la máquina de torno-fresado maneja la carga y descarga de pallets automáticamente. Este sistema es del fabricante alemán Schuler (que no tiene relación con Gary Schuler). Actualmente, acomoda 10 estaciones de pallets, pero se ampliará a 20 estaciones cuando llegue el segundo G550T. En el modo desatendido, el cambio de pallets toma unos 20 segundos, así que casi no hay pérdida en el tiempo de mecanizado.

Centro de carga de precisión. Cuando se analizó el plan de procesamiento inicial, el concepto para esta estación de trabajo personalizada, originada en Stein Seal, reveló la cantidad de tiempo que se dedicaría al alistamiento y fijación.

Debido a que es una copia precisa de la mesa y el husillo incorporados en la máquina de trabajo, permite que la campana sea “sintonizada” lejos de la máquina. Después de esta calificación de la parte fuera de la máquina, el sistema de pallets retiene la ubicación de la parte a 0.0001 pulgadas. Cuando el pallet se transfiere a la mesa de trabajo de la máquina, puede comenzarse el corte de metal sin demora alguna.

Para complementar el concepto del centro de carga, Stein Seal vislumbró dos fijaciones personalizadas, una para el mecanizado ID y otra para el OD. Dentech, una casa local de herramientas y fijaciones, siguió esta indicación para diseñar y construir las fijaciones necesarias. Cada fijación está casi permanentemente montada en un pallet.

Los cilindros cargados por resorte aseguran la campana cuando se ubica manualmente en las fijaciones con forma de tambor. Luego, una vez se fija el cero de la ubicación de la parte en el centro de carga, se aplica presión hidráulica para la sujeción final. Después de esto, el pallet se regresa a la unidad de almacenamiento para esperar su turno nocturno en la máquina.

Lado por lado, en la unidad de almacenamiento, las dos fijaciones son claramente distinguibles. La fijación OD tiene lados bajos para acceder a las características externas, como agujeros para pernos en una brida. La fijación ID es lo suficientemente alta para encerrar todo salvo esta brida, porque la parte con forma de campana necesita una amortiguación pesada para prevenir la vibración con ruido.

Sondeo. Una sonda activada por contacto almacenada en el cambiador de herramientas sirve a tres propósitos. Inspecciona la localización de la parte y la presión de sujeción cuando el pallet se lanza a la mesa de trabajo. Luego se trae de nuevo para verificar los resultados de las primeras operaciones de mecanizado. De los resultados de esta inspección, se calculan automáticamente los valores para las pasadas de acabado que completan el ciclo. La campana terminada se sondea una vez más antes de que el pallet regrese a la unidad de almacenamiento. Las partes que pasan no se vuelven a inspeccionar antes de entregarlas al cliente.

Una sonda láser de medición de herramientas revisa si hay herramientas fracturadas y actualiza los datos de separación del cortador en el programa CNC. Toda herramienta es verificada antes de usarla en el husillo. El magazín de herramientas de 60 estaciones en la máquina Grob tiene interfaz con una unidad de almacenamiento de herramientas extendida que acomoda 145 herramientas de corte adicionales. Las herramientas adicionales previenen una parada si se encuentra que una herramienta seleccionada está desgastada o rota.

Paquete de herramientas de corte. Stein Seal no dejó las herramientas de corte como una adición cuando planeó el proyecto renovado de la campana. La compañía trabajó con Seco Tools para la selección de herramientas recomendadas y los parámetros de mecanizado. Seco también suministró cortadores especiales, incluidas barras largas de herramental con baja desalineación para trabajos profundos en la cavidad de la parte.

Junto con este esfuerzo, Barone inició varios cambios de proceso importantes para promover una operación desatendida confiable. Por ejemplo, los cortes de torneado interrumpidos fueron reemplazados por operaciones de fresado para evitar indexado prematuro de insertos de carburo desgastados. Él también aplicó algunas técnicas de mecanizado de alta velocidad para aumentar las tasas de remoción de metal y mejorar el acabado superficial en cortes donde este enfoque fue factible.

Además, se adoptaron las pinzas de refrigerante a chorro de Seco, porque contar con una corriente de refrigerante a alta presión casi en la punta del inserto mejora significativamente la vida de su filo. Esto también solucionó el problema de evacuación de la viruta.

Sobre todo, un claro éxito

Instalar la máquina y alistar el nuevo proceso tuvo algunos impactos en el camino. Afortunadamente, ninguno de ellos se volvió un problema serio. La lección de esta experiencia es que el comprador de la máquina, el fabricante de la máquina y el representante del fabricante tienen que trabajar juntos para solucionar cualquier problema con prontitud.

Por ejemplo, Barone indica que desarrollar un posprocesador práctico tomó un tiempo, porque cambiar del mecanizado vertical al horizontal dificultó mantener relacionadas apropiadamente las designaciones de los ejes a sus movimientos. Hacer la interfaz del control de máquina Siemens con la unidad de almacenamiento y el cambiador de pallets Schuler involucró reconciliar algunas actualizaciones de software que habían sido desatendidas cuando se conectaron por primera vez los sistemas.

De la misma forma, integrar el magazín extendido de herramientas al cambiador automático de herramientas encontró algunas anomalías similares del software. Acostumbrarse a algunas de las rutinas especiales de Grob que habían sido añadidas al software CNC Siemens hizo que esa parte de la curva de aprendizaje también fuera un poco más pendiente.

Tomó casi un año superar todas estas adversidades. Hacer una producción piloto de esta parte en las máquinas de torno-fresado verticales existentes le permitió a la compañía hacer una transición gradual a la G550T. La cuadrilla completa involucrada en este proyecto continúa aprendiendo más sobre el ciclo de producción, buscando formas de mejorarlo y probando nuevos conceptos. Otros componentes, sea en producción o en la etapa de propuestas, también se están viendo como posibles candidatos para los métodos de producción tomados de la campana.  

Mientras tanto, el señor Schuler dice que él espera que la instalación de la segunda máquina Grob sea más fácil que la primera.