Cómo mecanizar grandes engranajes con rectificado de precisión

El nuevo cuarto de rectificado de precisión de ITAMCO es enorme. Cubre 3065 metros cuadrados de espacio en planta y tiene una altura de 9 metros al techo. Se han instalado dos puentes grúa, uno con 40 toneladas de capacidad y otro de 10 toneladas.

Estas cifras le dan una idea de la escala de las operaciones de rectificado que comienzan a pasar por ahí. Todas están relacionadas con la manufactura de engranajes grandes y el ensamble o reparación de trenes de engranajes (de la clase que se encuentran en turbinas de viento, equipos de construcción de carreteras, taladros de perforación para pozos y minería, por ejemplo).

Dos rectificadoras de perfiles de engranajes de Niles ya están en sitio. (Niles es parte de la compañía alemana, Kapp Niles, la cual es representada en los Estados Unidos por Kapp Sales & Service, en Boulder, Colorado). Una de estas, una ZP 40, es una de las máquinas más grandes de su clase en el mundo y la única de esas máquinas en Estados Unidos. Puede hacer rectificado externo de engranajes en piezas de trabajo hasta de 160 pulgadas de diámetro y rectificado interno de engranajes en piezas de trabajo hasta de 120 pulgadas de diámetro.

Rectificado interno de engranajes de Precisión: superando desafíos técnicos

A lo largo de la extensa nave está un ZPI 25, una máquina ligeramente más pequeña diseñada específicamente para el rectificado interno de engranajes en partes hasta de 100 pulgadas de diámetro. En el sitio también están ocho rectificadoras de engranajes CBN. Estas máquinas fueron trasladadas al cuarto de rectificado desde el taller original de ITAMCO y sus oficinas principales, ubicadas a 16 kilómetros de allí.

El diseño y creación del cuarto de rectificado de precisión ha sido un proyecto mayor para la compañía. Los detalles del mismo muestran cuán complejo y retador puede ser manufacturar partes muy grandes y muy precisas.

Afortunadamente, ITAMCO estaba bien posicionada para moverse en esta dirección. Tiene una larga tradición de excelencia en la fabricación de engranajes; un deseo de pensar en grande y pensar más allá; y un entendimiento realista de qué tan importante puede ser la atención en los detalles.

Todo esto fue soportado con el compromiso de aplicar la última tecnología, como software 3D de planeación de instalaciones y estándares avanzados de comunicaciones por red.

Las cosas comienzan a engranar

Indiana Technology and Manufacturing Companies (ITAMCO) fue fundada en 1955 por Donald y Noble Neidig en Plymouth, una comunidad en el norte de Indiana, a unas 145 kilometros de Chicago. El edificio original ha sido expandido varias veces y ahora ofrece cerca de 9290 metros cuadrados de espacio de taller. La compañía, sin embargo, aún es una empresa de propiedad y operación familiar, siendo la tercera generación de los Neidig la que administra el negocio.

Con los años, ITAMCO se dirigió de forma sostenida hacia el mecanizado de piezas de trabajo cada vez más grandes. Muchas de estas partes tienen líneas de empalme, anillos de engranajes y otras características con formas parecidas a los engranajes.

La fabricación de engranajes grandes se convirtió en un negocio suplementario mientras el taller se expandía. Una de las áreas de nicho en la fabricación de engranajes que ITAMCO ha adoptado en el camino es el rectificado interno de engranajes, un proceso que requiere máquinas-herramienta especiales, equipo de inspección y conocimiento. Pocos talleres podrían igualar la capacidad de la compañía para producir engranajes grandes de alta precisión desde la procura del material en bruto hasta el producto terminado.

El patrón de crecimiento natural de la compañía parecía obvio, especialmente porque los mercados fuertes de energía renovable, campos petroleros y construcción pedían trenes de engranajes, cajas de engrane y ensambles de transmisiones de potencia de la clase más grande.

En 2005, la compañía comenzó a buscar una planta vacante en Argos, a unos 15 minutos al sur de Plymouth sobre la Ruta U.S. 31. Estas instalaciones habían sido de una planta de estampado que atendía la industria automotriz y es cuatro veces el tamaño del sitio original. La planta tenía varias bahías amplias y altas, plataformas de carga grandes y una conexión al ferrocarril. Luego de estar vacía por cinco años, la planta tuvo otra atractiva característica: un precio muy razonable. ITAMCO la compró a finales de ese año.

Sin embargo, la decisión de renovar esta planta y convertirla en el centro consolidado de manufactura de engranajes de ITAMCO fue un paso valiente. La pieza central de estas instalaciones renovadas es el cuarto de rectificado de precisión. Aquí está lo que intervino en su exitoso lanzamiento.

Implementación de máquinas-herramienta especializadas 

Un tour por el taller original, y aún activo, de ITAMCO en Plymouth convence al visitante que esta compañía está acostumbrada a mecanizar piezas de trabajo tan grandes como las carcasas de engranajes para turbinas de viento y acoples de pozos para los campos petroleros.

Incluso con la mayoría de equipos para fabricación y rectificado de engranajes trasladado a Argos, este taller está lleno de grandes centros de mecanizado horizontal  -HMC- (todos con cambiadores de pallets) y tornos (muchos con herramental vivo en sus torretas), así como unidades electroerosionadoras de hilo y un laboratorio de metrología.

“Nosotros aprendimos mucho sobre el mecanizado de piezas de trabajo grandes y engranajes grandes en esta planta”, dice el gerente de planta Dave Hinderlider.

“Una de las lecciones es que incluso los errores más pequeños pueden ser muy costosos. No hay espacio para el error”.

Ciertamente, este punto fue tomado muy en serio en la planeación del cuarto de rectificado de precisión en la nueva planta. Joel Neidig, uno de los nietos del fundador y un ingeniero de sistemas de información, cita esta lección como una justificación para la confianza de la compañía en el software de planeación y configuración de instalaciones 3D que ITAMCO probó en beta para Autodesk, su desarrollador. Un autoproclamado “techie”, el señor Neidig usó este software para crear un modelo 3D de alto detalle para la planta Argos, incluida la bahía que sería el nuevo cuarto de rectificado.

“Este modelo nos ayudó a determinar la mejor ubicación para cada una de las máquinas nuevas y en dónde tendrían que ser ubicados los puente-grúa”, dice él. “También pudimos modelar cómo tendrían que organizarse los servicios y dónde deberían fundirse las cimentaciones para las grandes rectificadoras. Pudimos incluso ubicar los bancos de trabajo y los accesorios, de modo que fueran convenientes para los operadores sin interferir cuando tenían que moverse las grandes piezas de trabajo”.

Las cimentaciones para las rectificadoras grandes eran especialmente importantes. Estas máquinas están diseñadas para producir engranajes con niveles de calidad superior, según lo definen los estándares DIN y ANSI/AGMA, de modo que tienen que aislarse de las vibraciones, explica el señor Neidig.

Cada rectificadora ocupa un hoyo de 12 por 12 metros y se asienta en una cama de concreto de 1,2 metros de espesor. Unos montajes de absorción de impacto fijan las máquinas a las losas por debajo. Un material de amortiguación de vibración fue instalado entre la cimentación y el piso de alrededor para aislar las máquinas de la tierra.

Control de temperatura de máquinas-herramienta

Otro punto crítico en la instalación de estas máquinas fue controlar el calor. Mantener la pieza de trabajo, la rueda de rectificado y la estructura de la máquina a una temperatura constante es la base para unos resultados de rectificado consistentes y de alta precisión, dice el señor Neidig.

“Ambas rectificadoras tienen sistemas de enfriamiento y filtración del refrigerante que lo recirculan, pero el calor retirado del refrigerante tiene que ir a alguna parte”, apunta él. Además, el compresor de 25 toneladas en cada enfriador genera más calor.

La solución fue encerrar los sistemas de enfriamiento y filtración de refrigerante de modo que el aire caliente pudiera dirigirse por ductos hacia fuera del edificio en los meses sin invierno, para bajar la carga de calor y ahorrar en costos de acondicionamiento de aire. Este sistema toma aire exterior para alimentar la unidad de enfriamiento, negando así la necesidad de un costoso sistema de fabricación de aire que añade costos de energía.

En invierno, el calor de los compresores es bombeado hacia el cuarto en lugar de hacia fuera. Hay suficiente calor para mantener el cuarto a una temperatura confortable, al tiempo que se ayuda a calentar otras partes en el interior del edificio.

Todas las rectificadoras del cuarto están totalmente encerradas, equipadas con ductos y filtros para prevenir que la niebla o limadura del rectificado afecte la calidad del aire. Aunque encerrar los enfriadores y las máquinas le sumó a los costos de instalación, el gasto se ha compensado con los ahorros de eficiencia energética y el mantener el aire en el cuarto limpio, seco y a la temperatura correcta.

Rectificadoras de engranajes capaces

Crear el espacio ideal para las rectificadoras de engranajes de Niles fue uno de los principales objetivos para establecer el cuarto de rectificado de precisión. Estas máquinas fueron seleccionadas por su capacidad de rectificado interno de engranajes. La más grande, la ZP 40, usa un brazo de soporte especial para el rectificado interno de engranajes, mientras la ZPI 25 incorpora un cabezal de rectificado en el brazo soporte diseñado exclusivamente para producir perfiles de engranajes internos.

Muchos de los engranajes internos procesados en estas máquinas son formas de tambor hasta de 38 pulgadas de altura, que requieren brazos soporte para usar su recorrido completo de 24 pulgadas, el cual es igual en ambas máquinas. La ZP 40 acepta partes que pesan hasta 88.000 libras; la ZPI 25, 66.000 libras.

Según Niles, los cabezales de rectificado interno están diseñados para dar rigidez y están equipados con un husillo para rueda de rectificado de 25 kW (33 hp). Un pulidor CNC posicionado directamente sobre la rueda de rectificado permite el pulido de la rueda “en sitio”.

Ambas rectificadoras están equipadas con sistemas de inspección a bordo en los cuales una sonda ubicada bajo el husillo de rectificado se gira hacia arriba para hacer operaciones de medición. Este arreglo le permite a la máquina verificar una pieza de trabajo en cualquier momento.

Antes de que comience el rectificado, la sonda puede establecer si la pieza de trabajo está centrada apropiadamente respecto al diámetro de paso para un rectificado preciso. De la misma forma, la sonda puede medir una superficie rectificada inmediatamente después de la operación de rectificado.

“La verificación a bordo es una característica muy valiosa para nosotros”, dice el señor Neidig. “Ésta verifica la precisión de los resultados del rectificado y agiliza el procesamiento de parte porque la pieza de trabajo no tiene que moverse a una estación de inspección aparte”. 

En ambas rectificadoras también están instaladas dos cámaras que permiten monitorear remotamente las operaciones por visión. Cualquier dispositivo con acceso a internet puede “marcar” al control de la máquina y abrir el visor de la cámara. De hecho, el señor Neidig ha creado varias aplicaciones de iPhone para monitorear remotamente la máquina (vea el recuadro abajo).

Inspección fuera de la línea de rectificado

Aunque el taller confía en los sistemas de verificación a bordo en las rectificadoras, algunas veces se requiere la inspección fuera de línea. Algunos clientes requieren un reporte de inspección generado por una máquina de medición por coordenadas (CMM), por ejemplo.

La compañía mide partes regularmente fuera de línea para calibrar los sistemas de verificación. En cada caso, la compañía se vuelve a un CMM Zeiss MMZ B que fue instalado en la planta Argos en 2007.

Esta máquina estilo gantry tiene la capacidad de medir partes tan grandes como un cubo de rotor de una turbina de viento. Sin embargo, es usado principalmente para inspeccionar anillos de engranajes. La compañía usa el software Calypso de Zeiss para partes prismáticas grandes. Sin embargo, usa el software GearPro, también de Zeiss, para agilizar la inspección de engranajes porque ese sistema incluye rutinas de programación diseñadas para capturar datos dimensionales y relaciones geométricas que son críticas para el desempeño del engranaje.

John Deitl, gerente de la planta Argos, enfatiza que un CMM grande es esencial para la orientación a partes grandes de estas instalaciones. “La productividad del CMM impacta el flujo de trabajo como cualquier otra máquina o estación de trabajo, de modo que tenemos que tratarlo como cualquier otro activo de producción de valor”, dice el señor Deitl.

El CMM está ubicado en un cuarto con clima controlado. Una grúa de servicio pesado ha sido instalada para cargar y descargar las piezas de trabajo. 

Éxito en el soporte

Aunque el cuarto de rectificado de precisión está dedicado estrictamente al terminado con rectificado de engranajes, la bahía adjunta en Argos aloja un arreglo diverso de máquinas-herramienta que alimentan y soportan las operaciones de rectificado.

Las piezas de trabajo grandes generalmente hacen su primera parada en uno de los VTL, mandrinadoras o HMC en esta parte de la planta, antes de moverse a la primera operación de corte de engranajes. La mayoría de estas partes será completada en las nuevas rectificadoras.

La gran variedad de procesos de fabricación de engranajes en esta parte de la planta es notable. Tres de los perfiladores de engranajes Fellows más grandes están instalados allí. Estas máquinas ofrecen carreras de 38 centímetros. Numerosas máquinas para corte de engranajes ocupan una de las naves. Estas máquinas son importantes porque cada una está equipada con un cabezal de fresado de engranajes que ITAMCO diseñó y construyó para el fresado de desbaste eficiente de perfiles internos de engranajes.

La herramienta de fresado rotativa puede cortar perfiles profundos de engranajes en unas pocas pasadas. Una mesa de indexado hace esta operación totalmente automatizada. Una brochadora de engranajes horizontal completa esta colección de procesos de fabricación de engranajes.

A pesar de la diversidad de operaciones relacionadas con engranajes, Deitl comenta que la presencia del cuarto de rectificado de precisión es una influencia unificada. El rectificado de precisión no es un proceso correctivo, explica. Es la culminación de la precisión lograda en las operaciones previas. “El éxito de las rectificadoras de precisión depende del éxito de todo lo demás que hacemos en la planta. Esto nos mantiene alerta”, dice él.

Significado estratégico del cuarto de rectificado

El cuarto de rectificado de precisión juega un papel clave en los planes de crecimiento de ITAMCO. Gary West, gerente de ventas y servicio al cliente, define el crecimiento como la generación de más negocios con clientes habituales y la creación de negocios con clientes nuevos. Ambos puntos de la estrategia son vitales y ambos están soportados en el cuarto de rectificado de precisión.

Para clientes existentes, la capacidad de rectificado expandida le permite a ITAMCO hacer más trabajo y manejar partes más grandes para mantenerse en la tendencia de diseños de turbinas de viento más grandes y  más poderosos. De la misma forma, el rectificado de precisión encabeza la capacidad de la compañía de manejar la manufactura completa y la reparación de ensambles completos de trenes de engranajes (un nuevo negocio que la compañía está ansiosa por expandir).

Desde el mecanizado de carcasas para cajas de engranajes hasta el torneado de ejes y la producción de componentes terminados de engranajes, ITAMCO tiene todos los procesos en sitio.  

La compañía también está desarrollando algunas innovaciones propias en tecnología de trenes de potencia que podrían convertirse en un producto distinto.  Estos desarrollos apalancan la capacidad de sus recursos de manufactura, así como su experticia en diseño e ingeniería. El rectificado interno de engranajes de precisión es un elemento integral y esencial en estos planes, dice West.

La preparación para este crecimiento comenzó en serio a mediados de la profunda recesión de 2008 y 2009. “Escogimos ser audaces mientras todos los demás se volvieron más precavidos. Esa fue claramente la decisión correcta”, anota West.

Él puede decir eso ahora mirando hacia atrás, pero fue entonces la voluntad de la compañía de mirar hacia adelante lo que hizo la diferencia. 

Monitoreo remoto de máquina en la mano

La aplicación para iPhone de ITAMCO, MTConnect, pone en la mano el monitoreo remoto de máquina.

Dos de las más recientes máquinas-herramienta en ITAMCO, las rectificadoras Niles, son las primeras de la compañía en usar MTConnect como el protocolo de comunicaciones para el monitoreo remoto. Estas máquinas servirán como prototipos para implementar una capacidad de monitoreo en toda la compañía. Joel Neidig dice que los planes contemplan que todos los CNC de la empresa tengan adaptadores MTConnect que formateen los datos y códigos generados internamente a las especificaciones MTConnect.

Este formateo permite que un “agente” MTConnect en la red del taller recupere los datos, los organice y los haga disponibles para las aplicaciones de software como el sistema doméstico de recolección de datos de taller y el programador de trabajos de la compañía. Aunque actualmente están en uso 30 tipos diferentes de CNC en los dos sitios de ITAMCO, el MTConnect hace posible para todos ellos sacar datos en un “lenguaje” común.

Uno de los que propuso y apoyó el MTConnect, el señor Neidig, ha estado activo como miembro del Grupo de Consejo Técnico del MTConnect. Él también ha llevado el estándar un paso hacia delante al crear varias aplicaciones para dispositivos de mano que se pueden conectar a la red, como el iPhone y Android.

“Estas aplicaciones pueden usarse para marcar la dirección de red del CNC de una máquina-herramienta y acceder a los datos disponibles a través del adaptador MTConnect”, explica.

Por ejemplo, una aplicación le permite desplazar varias pantallas (como la de su iPhone que se aprecia en la foto) para ver el estado de la máquina y los datos de desempeño. 

Él también puede usar el iPhone para abrir el visor de la cámara en vivo del CNC y ver lo que está pasando en el interior de la máquina. “Mientras pueda acceder a la red global del teléfono con mi iPhone, puedo monitorear nuestras máquinas con cumplimiento MTConnect desde cualquier parte del mundo, justo en mi mano”, explica.

El señor Neidig presentó las experiencias de su compañía con MTConnect en la conferencia MC2 en Cincinnati, Ohio, en noviembre de 2011 (MTConnect.org/MC2). Neidig planea revisar sus aplicaciones de iPhone y explicar cómo le han provisto del monitoreo móvil de las máquinas.