Avances en sistemas de fijación para el mecanizado de engranajes

La producción de engranes ha cambiado drásticamente en los últimos 25 años para Global Gear & Machining de Downers Grove, Illinois. Si bien el taller, una vez se centró en piezas dedicadas de equipos independientes, cada uno produciendo un tipo de engranaje en lotes de cientos de miles, este método de producción ya no es viable.

Sus clientes ahora quieren engranes en pequeños lotes entregados justo a tiempo (JIT) para evitar el costo de almacenar grandes cantidades de engranajes para sus operaciones de fabricación.

Celdas de fabricación automatizadas en la producción de engranes

Para cumplir con estas demandas y mantener su competitividad, Global Gear ha recurrido a celdas de fabricación, totalmente automatizadas y flexibles, que permiten a al taller producir de manera rentable mayores volúmenes de engranajes en lotes más pequeños con entrega JIT. Lo más importante es que las celdas pueden cambiar rápida y fácilmente de un tipo de engranaje a otro.

Aumento de producción y tolerancias estrictas en la fabricación de engranes

Con las celdas automatizadas, la compañía ha podido aumentar su producción, manteniendo su fuerza de trabajo existente y recibiendo más trabajo. Los tamaños de los lotes de trabajo pueden ser más bajos, pero las tolerancias de las partes son más estrictas que nunca, y los cambios de celda ahora ocurren a diario.

Importancia del sistema de fijación en la flexibilidad de las celdas de fabricación

El taller produce engranes para empresas de transmisión, muchas de las cuales suministran a la industria automotriz: Allison Transmission, American Axle y otros. Estos engranajes se utilizan en vehículos con motores diesel, transmisiones, motocicletas, equipos todoterreno, sistemas agrícolas y otras aplicaciones.

Además de la producción de engranajes, el taller también ofrece un mecanizado de valor agregado por contrato. Los engranajes varían en tamaño desde menos de 0.5 pulgadas hasta tan grandes como 16 pulgadas de diámetro, y el taller produce entre 2 y 3 millones de engranajes por año en pedidos de alto y bajo volumen.

Dentro de las celdas de mecanizado automatizadas, la flexibilidad y el cambio rápido dependen de varios factores clave, uno de los cuales es la fijación de la pieza de trabajo.

Sistema de fijación y automatización en la producción de engranes

El sistema de fijación de la celda debe permitir que el taller realice estos cambios lo más rápido y sin esfuerzo posible, al mismo tiempo que proporciona la capacidad para ser cargado por el sistema de automatización.

“En un entorno de fabricación basado en celdas como el nuestro, cuando sistema de sujeción falla o tarda demasiado tiempo en cambiarse, suspende toda la producción de esa celda”, dice Ricky Quek, gerente de ingeniería.

El diseño de chuck más común para aplicaciones de torneado duro utiliza una mandíbula con entre tres y seis puntos de contacto. Desafortunadamente, los procesos de tallado y tratamiento térmico pueden distorsionar los dientes de un engranaje.

Esta distorsión puede interferir con la sujeción. Si una mandíbula se atasca en un diente distorsionado, toda la pieza de trabajo estará en un ángulo de desplazamiento, lo que interfiere con la inspección y puede llevar a una parte desechada.

Compensar este fenómeno implica pasar tiempo en una serie de inspecciones y ajustes, repetir y volver a verificar hasta que el engranaje esté correcto. Para cada inspección, Global Gear tendría que esperar a que uno de sus inspectores tuviera un espacio. Sin embargo, el portabrocas KZF-S de Röhm Products of America (de Suwanee, Georgia) ha demostrado proporcionar un adecuado agarre que el tratamiento térmico no desplazará.

Un chuck de pinzas hecho para engranes

Cuatro de las celdas más nuevas del taller utilizan sistemas de sujeción de piezas de trabajo de Röhm, y dos de esas celdas usan el KZF-S. En lugar de sujetarse a unos pocos puntos del diámetro de un engrane, el collar aprieta el chuck en todos los puntos de los dientes de un engranaje, mejorando la precisión y asegurando que el diámetro del engranaje esté en relación precisa con su línea de paso. Además de la precisión mejorada, la solución de sujeción del trabajo ha mejorado la repetibilidad y la cilindricidad del engranaje.

El plato funciona con un principio de pinza estilo BT: un sistema de montaje tipo bayoneta similar a los montajes para lentes de cámara. Las pinzas del chuck son más largas y tienen dos puntos de apoyo: el ahusamiento para la precisión y la cara posterior para el paralelismo. Para sostener los engranajes, las pinzas tienen un patrón de dientes de engranaje. Con detección neumática, los chucks pueden detectar si una pieza de trabajo está asentada incorrectamente y, en esos casos, alertará al controlador de la máquina.

“Debemos tener un chuck de pinzas extremadamente preciso, uno en el que podamos cargar un engrane, hacer el primer corte, inspeccionarlo y producir una pieza perfecta", dice Quek.

“La mayoría de los talleres se enfocarían en el tiempo que lleva cambiar un chuck, pero eso es solo una parte de la ecuación. El tiempo involucrado en hacer dos o tres ajustes para obtener la pieza correcta es el asesino rea del tiempo”.

La fijación de todos los dientes por medio del KZF-S elimina tales variaciones y discrepancias, esencialmente tomando un promedio de todas las ubicaciones de los dientes y evitando errores de inspección. La capacidad de sujetar con mayor precisión los engranajes distorsionados es especialmente crítica para las celdas totalmente automáticas del taller, ya que garantiza que los engranajes se carguen correctamente, evitando piezas desechadas y posibles fallas de la máquina.

Integrando el chuck en las celdas automatizadas de Global Gear

Para Global Gear, cargar estos chucks usando la automatización fue un desafío. Un robot puede cargar engranes con facilidad en los tres o seis pasadores de un chuck tipo pin convencional, pero hacerlo con un chuck tipo pinza está más relacionado con la programación de los movimientos del robot. El hecho de que los dientes del engrane estuvieran en un patrón helicoidal complicó aún más la tarea.

La compañía finalmente pudo desarrollar una secuencia de carga completamente automatizada. Primero, el robot de la celda ubica la parte frontal del engranaje y lo lleva al chuck en la máquina de torneado. Luego, el robot asume una orientación de rotación libre del eje.

Este estado de flotación libre esencialmente permite que el engrane se guíe en el chuck a medida que el robot aplica la presión hacia adentro, de forma muy parecida a como se movería una mano humana, si el engrane se cargara manualmente.

Los cambios de pieza en Global Gear suelen tardar solo unas pocas horas, y el taller intenta hacerlo por las mañanas durante el turno de día para que el segundo turno esté listo para ejecutar la producción.

Además al cambiar la sujeción de la pieza, la transición de un trabajo a otro implica cambiar las herramientas, los programas, los robots, la inspección, los procesos de calibrado y el acabado en una celda completa.

“Durante la incorporación de celdas automatizadas, fue un poco arriesgado por nuestra parte considerar el chuck Röhm como una solución viable”, dice el presidente de la compañía, Cory Ooyen.

“Éramos escépticos hasta que nos mostraron cuán rápido y fácil cambian los chuckes, cómo funcionarían con nuestra automatización y cuánta precisión tienen las piezas”. Sin embargo, lo que él indica, fue lo que realmente lo conquistó fue la repetibilidad del chuck: “Mientras nuestro sistema de sujeción requiere un ajuste con cada cambio, una vez que se establece la ubicación de este chuck, podemos mantener la repetibilidad perfecta entre un cambio de pinza o pieza de trabajo a la siguiente, sin necesidad de ajuste alguno”.

Según Ooyen, el taller planea agregar más celdas de fabricación automatizadas. En los últimos dos años, los clientes automotrices han impulsado un aumento en la producción de engranajes para el taller, pero a la vez ve cómo sus otros segmentos de mercado también mejoran.