Celda de rectificado sin centros potencia la producción de altos volúmenes

Como muchos talleres que enfrentan cambios en las necesidades de los clientes, American Turned Products (ATP) de Pensilvania, está haciendo los ajustes necesarios y añadiendo operaciones para continuar compitiendo en el difícil mercado de altos volúmenes. Uno de esos ajustes es la reciente instalación de la compañía de una celda automatizada de rectificado sin centros. 

La celda de rectificado sin centros en ATP es un presagio de tendencias que parecen manifestarse en el espectro de la manufactura de partes mecanizadas con precisión. Muchos talleres están aumentando las técnicas tradicionales de producción de altos volúmenes con lo que alguna vez pudo haberse considerado operaciones no tradicionales e incorporando la automatización en estos procesos.

Alguna vez, la industria de máquinas de tornillos fue una demográfica bien definida. Su principal diferencia frente a otros segmentos de talleres metalmecánicos era el uso de levas para accionar los ejes de las máquinas-herramienta para producir partes relativamente pequeñas en grandes volúmenes. Hoy, el mundo de la leva aún está en uso, pero el envejecimiento de la fuerza de trabajo está haciendo cada vez más difícil realizar los alistamientos de levas que requieren experiencia.

Las compañías se están moviendo hacia el CNC y la servo-tecnología, en programación para ayudar a atraer gente joven y en flexibilidad de producción para hacer más trabajos diferentes. En muchos casos, el departamento de levas se ha convertido en el departamento de producción, el cual ha abierto nuevas oportunidades operacionales – el código G es el código G, sin importar el proceso de mecanizado.

Ese es uno de los motivos que llevó a ATP a invertir en una celda automatizada de rectificado sin centros para la producción de un trabajo de un eje de motor. Según Harry Eighmy, jefe de operaciones y propietario de segunda generación de ATP, este trabajo llevó a la compañía fuera de su zona de confort, pero ha abierto nuevas oportunidades.

Un nuevo trabajo, un nuevo enfoque

En comparación con las partes que ATP procesa normalmente, el trabajo del eje del motor es significativamente más grande y más pesado. Las partes típicas en ATP pesan onzas, mientras los blancos para el nuevo trabajo comienzan en más de 2 libras.

“Nosotros no estábamos listos para lidiar con el peso que este trabajo iba a traer al taller”, dice el señor Eighmy. “Comenzamos a pulir manualmente estas partes y pronto nos dimos cuenta que el proceso necesitaba ser automatizado, primero, para atender la producción (es un trabajo de alto volumen de 20.000 a 25.000 partes por semana), y segundo, para retirar el factor de la fatiga del operador y sus asuntos de calidad resultantes”.

Con 2 libras por blanco, dos blancos por ciclo, y un tiempo de ciclo de 15 a 20 segundos, el operador está cargando 480 libras por hora. El señor Eighmy se dio cuenta que eso no era sostenible. Más aun, las tolerancias en las superficies pulidas -2 micras- requerían mucha mayor precisión de la que podría lograrse con un proceso manual. Necesitaba ser libre de errores.

Este panorama puso a ATP en contacto con Allways Precision Inc., de Chicago, integrador de sistemas y especialista en reconstrucción de rectificadoras sin centros Cincinnati. El reto era montar y comenzar a operar una celda automatizada de rectificado sin centros en unas 10 semanas. Además, ATP necesitaba invertir en automatizar la operación de torneado de blancos aguas arriba de la rectificadora.

Alistándose para rectificar

Para arrancar, ATP miró el comienzo del proceso, el cual era manejar el material en bruto, acero 1144 de dureza 35 RC. Para balancear los tiempos de ciclo entre los tornos y la rectificadora, se usan tres tornos para alimentar los blancos de eje del motor a la rectificadora.

Las operaciones 10 y 20 se desarrollan en cada torno usando su husillo secundario. Los blancos de cada torno usan marcas testigo para permitir la trazabilidad de la máquina en que fueron trabajados, en caso de que surja cualquier asunto de calidad.

Además de los alimentadores de barras y para simplificar el manejo del material en bruto, la compañía invirtió en cargadores de atados para los tornos. Su capacidad de aceptar al tiempo un atado de material en barras da suficiente capacidad de almacenamiento y procesamiento para suministrar material en bruto que alimente la celda de rectificado.

Una vez las partes son cortadas y separadas, se sacan a un acumulador próximo al torno. Del acumulador, los blancos se empacan en conjunto en el torno para transportarse a la máquina de rectificado. De la caja, se cargan en una banda transportadora de entrada que alimenta el robot.

El rectificado diario

La base de la celda de rectificado es una rectificadora sin centros Cincinnati modelo 200. Allways Precision reconstruyó la máquina para incluir la tecnología más reciente para su programación, incluidos compensación automática de desgaste de la rueda en lazo cerrado, afilado y perfilado automáticos. También incluye medición automática de partes en proceso. La celda es atendida por un robot FANUC LR Mate.

“La celda de rectificado es realmente eficiente”, dice el señor Eighmy. “Con el proceso de carga manual, teníamos alrededor del 15 por cien de desecho. Con el cargador de robot, eso bajó a menos del 1 por cien. Además de reducir la tasa de desecho, la salida de la rectificadora mejoró en 35 por cien con el robot”.

La celda tiene un medidor automático como parte del proceso que verifica tolerancias en los muñones del eje, que son las características rectificadas de la parte. Después del rectificado, las partes pasan a través de un proceso preventivo de oxidación, y luego son vueltas a empacar antes de dirigirse a envíos. Así, ATP queda “listo en línea” para el cliente. La celda opera 24 horas y está en producción cuatro de cinco días a la semana para hacer el volumen de producción semanal.

Cuando se operaba manual, se requerían dos personas y media para manejar el proceso. Ahora el proceso es manejado por una sola persona.

“Si usted hace las matemáticas del personal”, dice el señor Eighmy, “eso es dos y media veces tres turnos, que se necesitaban porque la salida era menor. Ahora, operamos 20 horas al día en dos turnos de 10 horas con dos personas, cuando antes corríamos producción con siete personas y media. Para nuestro taller, eso es una mejora significativa. Eliminar el manejo manual de estas partes pesadas también ha mejorado la moral de los operadores que estaban haciendo ese trabajo. Las mejoras en el manejo del material han resultado en un proceso de manufactura mucho más seguro y ergonómicamente eficiente para fabricar estos ejes de motor”.

Diseñando la celda de rectificado

Para entender cómo aparece una instalación tal como la celda de rectificado, contactamos a Rick Lang, V.P. e ingeniero en Allways Precision. Él trabajó en el proyecto de ATP y compartió algunas percepciones y soluciones inteligentes que han ayudado al éxito de este sistema para ATP.

Allways Precision terminó involucrada en el proyecto de ATP cuando Willie Eichele de la distribuidora Motch and Eichele de Cleveland, envió algunas partes de muestra que su cliente ATP estaba ofertando. El señor Lang miró el trabajo y determinó la mejor secuencia de rectificado junto con cuánto material dejar en dos de los tres muñones críticos.

“Cuando primero vimos el trabajo”, dice el señor Lang, “el plan era sólo rectificar dos muñones usando un proceso de penetración en la rectificadora sin centros. Una vez regresamos las muestras a ATP, ellos nos dieron metas adicionales tales como tiempos de ciclo, requerimientos de espacio en suelo y un programa relativamente estrecho de entrega e instalación”.

Para cumplir el programa de entrega, Romas Juodvalkis, el propietario de Allways Precision, hizo un acto de confianza e hizo que el equipo de ingeniería comenzara la construcción antes de que ATP pusiera el pedido. “Algunas veces es la forma como tenemos que operar”, dice el señor Lang.

Construir una máquina desde el bosquejo no habría permitido cumplir el programa de entrega, sino que gracias a que Allways Precision mantiene un gran inventario de máquinas, la mayoría de eso no es un problema. La máquina escogida para el trabajo es una rectificadora sin centros Cincinnati 220-8, la cual usa una rueda de rectificado de 24 pulgadas de diámetro y 8 pulgadas de ancho. Para esta celda, Allways añadió un robot FANUC, medición personalizada y sistemas de transportadoras de entrada/salida.

Ya que ATP estaba alistando las máquinas de torneado de blancos para trabajar los materiales en bruto, Allways avanzó en paralelo con el desarrollo de la celda. La recomendación de material para rectificado en cada uno de los muñones del blanco es 0.007 a 0.008 pulgadas.

En el camino, se determinó que la alimentación podría diseñarse para rectificar los tres muñones en un solo ciclo, empujando la parte a través y pasando la rueda para rectificar los tres muñones. Luego la parte se retrae de modo que el robot puede descargarla. Este ciclo de una sola pasada significaba que las partes podían salir terminadas de la rectificadora.

“Nuestra idea original para el robot era usar una pinza doble para la carga y la descarga de la parte”, dice el señor Lang. “En el camino, cambiamos nuestra idea a una sola pinza e instalamos un nido muerto para poner en cola las partes para el robot. Básicamente, el nido muerto es una fijación que sostiene dos partes, una parte para ser cargada en la máquina y otra que está completa y lista para ser medida. Es sencillo, pero efectivo y elimina la necesidad de una segunda pinza. Debido a que la parte terminada puede ser medida y descargada mientras la máquina está en un ciclo, no hay tiempos parásitos que impacten el tiempo de ciclo de 15-20 segundos al que le estábamos apuntando”. La estación de medición está construida por Allways y es capaz de medir más/menos 0.25 micras.

Para acomodarse al espacio en suelo inicial de ATP, el robot, el nido muerto y la estación de medición caben todos en una caja de 3 por 3 pies, que está unida a la rectificadora. Para acceder a la rectificadora, la caja de cerramiento se cuelga, de modo que el operador puede jalar un solo pasador y mover el cerramiento para cambiar las ruedas o adelantar otras tareas en la zona de trabajo. Usted puede estar dentro cambiando una rueda en unos 3 a 5 minutos”, dice el señor Lang.

El afilador de ruedas es programable y fue hecho por Allways para renovaciones de máquinas Cincinnati. Tiene una resolución de 0.000005 pulgadas en el radio. El afilador usa motores de un millón de conteos en relaciones 5 a 1, lo cual da 0.000005 pulgadas de resolución. Los servo están respaldados por decodificadores lineales, los cuales, cuando se comparan con la realimentación de los servos, dan el posicionamiento real.

“Uno de los trucos para programar el ciclo de afilado para este trabajo”, dice el señor Lang, “fue asegurarse que el desgaste de la rueda fuera consistente, porque está rectificando tres diámetros diferentes que se traduce en tres tasas de rectificado diferentes”.

Los muñones que salen de la celda se fabrican a un Ra de 8-10. La redondez, la especificación crítica, se mantiene consistentemente en 1 micra. La clave del éxito para ATP es que la producción de esta celda automatizada es consistente. Ser capaz de enviar altos volúmenes de partes listas de alta tolerancia, a diario, es un beneficio importante para ATP.

La eficiencia de la automatización es clara

El señor Eighmy admite que instalar esta celda de rectificado y trabajar con un integrador de calidad ha sido una experiencia reveladora. “Esto ha cambiado la forma como abordamos al arte y ciencia de la manufactura”, dice él. “Yo subestimaba la increíble flexibilidad que la integración de la robótica moderna puede traer a una aplicación. De hecho, actualmente estamos añadiendo automatización a una celda de transferencia rotativa en nuestra planta hermana”.

Con la comparación punto a punto que ATP fue capaz de hacer entre usar una operación manual sin centros y la celda automatizada, la eficiencia de la automatización es clara. Ser capaz de contar con el ajuste, función, verificación de características y prueba de errores, lo cual ha llevado de tasas de desecho del 15 por cien a menos del 1 por cien, está elevando la vara en ATP y en muchos talleres a lo largo del país.

Viendo hacia el futuro, una diferencia entre esta celda de manufactura técnicamente actualizada y la automatización dura típica que venía antes es la capacidad de readaptarla. En caso que ATP pierda el trabajo que actualmente está corriendo, sin muchos cambios, la celda puede configurarse para hacer una parte diferente. La capacidad de programación es la clave de la flexibilidad.