Estableciendo un proceso de torneado en duro como alternativa al rectificado

Los talleres que deciden expandirse a nuevos mercados generalmente son motivados a añadir nuevos equipos de mecanizado o a adoptar nuevos procesos de mecanizado para soportar sus esfuerzos.

En el caso de True Die, los pasos que ha tomado para diversificar su oferta de productos, a través de la manufactura precisa de herramental redondo para aplicaciones de formado de chapa metálica con embutido profundo, lo han llevado a desarrollar una efectiva estrategia para el torneado en duro.

La meta era eliminar la necesidad de rectificar el diámetro interior (ID) y el diámetro exterior (OD) del herramental redondo, que es hecho de metal en polvo endurecido hasta 64 HRC, permitiéndole alcanzar tasas de remoción de material más altas, al tiempo que se consigue lo que podría alcanzar el rectificado en términos de concentricidad, acabado superficial y precisión dimensional. Desde entonces, eso es lo que ha hecho: establecer la capacidad de torneado en duro de diámetros y radios hasta una precisión de ±0.0002 pulgadas.

De hecho, dos de las recientes adiciones de máquinas del taller, ubicado en Zeeland, Michigan, son centros de torneado que fueron comprados principalmente para el torneado en duro. Mich Stahl es el especialista técnico de True Die quien, junto con Chris McCleary, coordinador de torneado, lideró un equipo de mecánicos para establecer la estrategia de torneado en duro del taller. En pocas palabras, él dice que el enfoque del taller se reduce a tres conceptos interconectados: establecer la rigidez general del proceso, implementar los tipos correctos de herramientas de corte y aplicar los datos de corte apropiados.

La palabra clave aquí es la interconexión. Stahl sostiene que implementar sólo uno o dos de estos conceptos no funcionaría; todo debe estar dirigido apropiadamente para un efectivo torneado en duro. “Es tan importante atender los pequeños detalles cuando se instala un proceso como poner éste en sitio”, indica él.

Oportunidades de herramental redondo

True Die, antes Contour Tool and Engineering, antes de que adquiriera esa compañía en 2015, tiene experiencia en el diseño, mecanizado y ensamble de moldes de inyección de plásticos y juegos de dados progresivos. Tiene un arreglo diversificado de equipos de mecanizado en sus instalaciones de 930 metros cuadrados, incluidas fresadoras CNC, centros de torneado, máquinas rectificadoras, y equipos de electroerosionado con hilo y por penetración.

Brian Brown, presidente de True Die, dice que la industria de formado metálico por embutido profundo representó para el taller una oportunidad de diversificarse a un nuevo mercado que complementa los otros que suple.

“Nuestra experiencia en la aplicación de embutido profundo nos posicionó exclusivamente como un proveedor de herramental, permitiéndonos traer soluciones tangibles y herramientas de mayor desempeño al mercado”, dice Brown. “Con más de 100 años de experiencia combinada en el diseño, desarrollo y producción de estampados por embutido, estábamos bien preparados, con un completo entendimiento de los exclusivos requerimientos de esa industria”.

Al momento de la compra, Contour estaba fabricando exclusivamente moldes y dados. El desarrollo de una alianza estratégica con una compañía de estampado mediante embutido profundo, y dos clientes adicionales que proporcionaron diversificación y la oportunidad de un rápido crecimiento, le permitieron al taller completar sus ofertas estableciendo lo que Brown llama su “departamento de detalles”, el cual provee componentes individuales para herramientas de embutido profundo nuevas y existentes y equipo de ensamble automatizado. De hecho, el trabajo de detalle actualmente representa el 50 por ciento de las ventas del taller, y la compañía ha crecido casi 700 por ciento en los dos años corridos desde la entrada al mercado de detalles.

Este herramental redondo es usado en dados de embutido profundo, complejos y progresivos, usados para crear componentes (normalmente cilíndricos) de chapa metálica (generalmente acero inoxidable), principalmente para aplicaciones automotrices, como componentes para sistemas de combustible, frenado y airbags.

“Originalmente asumimos que necesitaríamos comprar una máquina de rectificado cilíndrico de más capacidad para lograr las tolerancias y acabado que el herramental redondo requería”, dice Brown.

“Sin embargo, dado su experiencia con el torneado en duro, Stahl sugirió que un proceso de torneado en duro lograría la precisión que requerían las herramientas y lograría una producción más rápida que el rectificado gracias a las mayores tasas de remoción de material. Además, también podríamos tornear eficientemente perfiles complejos en materiales endurecidos, que serían prohibidamente costosos de rectificar y posiblemente requerirían operaciones de rectificado de formas”.

Debido a que True Die es un taller de trabajos, sus tamaños de lote para el herramental redondo son bajos (generalmente varían entre una a seis piezas), y su mezcla de productos es alta. La longitud de herramental puede variar hasta 20 pulgadas y los diámetros desde 0.1 hasta 12 pulgadas, y muchas versiones tienen altas relaciones longitud a diámetro (L:D).

El taller crea herramental redondo principalmente a partir de material en barras de aleaciones metálicas en polvo, las cuales son hechas de partículas combinadas de varios metales y elementos de aleación. La “receta” de metal en polvo es comprimida en forma de barra de material que el taller primero mecaniza en su estado suave o “verde” antes del tratamiento térmico, el cual adhiere las partículas individuales para crear un componente endurecido.

Según la aleación específica de metal en polvo, la dureza del herramental en estado verde es en esencia insignificante y puede ser mecanizado efectivamente usando métodos de torneado convencionales. Sin embargo, después del tratamiento térmico, la dureza del herramental puede variar hasta 64 HRC. Los aceros de metal en polvo comunes que el taller mecaniza incluyen CPM 3V, 9V y 10V, así como M2 y M4.

True Die generalmente deja aproximadamente 0.010 a 0.012 pulgadas de material extra después de tornear el herramental en estado pre-endurecido, para permitir pasadas posteriores de torneado en duro. Puede dejar más material en partes que tienden a distorsionarse después del tratamiento térmico, tales como las que tienen una alta relación L:D. En caso de una distorsión significativa, el reto no es tanto alcanzar tolerancias de dimensión, sino tolerancias estrechas de concentricidad. “Algunas veces es más difícil enderezar una parte distorsionada que llevarla a su tamaño”, dice Stahl.

Centros de torneado en duro: interconectar rigidez, cortadores y datos de corte

Los dos centros de torneado que compró True Die recientemente para el torneado en duro son modelos Mazak Quick Turn Nexus 250 II con torretas de 12 estaciones (ninguna tiene estaciones de herramental vivo). La primera de estas máquinas fue comprada en abril de 2016 y la segunda después en ese mismo año en agosto, y ambas ofrecen la rigidez que el taller necesita para tener las bases para su proceso de torneado en duro, dice Stahl.

Según Mike Utter, el representante del distribuidor de máquinas-herramienta Addy Machinery (Grand Rapids, Michigan), quien vendió las máquinas a True Die, sus sistemas de guía con rodillos híbridos MX son un contribuyente principal para su rigidez.

“Los rodillos dan mayor contacto superficial que los rodamientos de bolas, y menos fricción que las deslizaderas”, explica él. “El sistema también maneja efectivamente capacidades de carga pesada, porque hay menos deformación elástica con rodillos, y además proveen un alto grado de amortiguación, lo cual extiende la vida de la herramienta. También ofrece un diseño tipo X que distribuye eficientemente la carga en cuatro direcciones – radial (en sentido de las manecillas del reloj y al contrario), radial invertido y lateral – y reduce los errores de reversa cuando se desarrollan movimientos de esquinas”. Además, se dice que el motor de husillo integral usado en estas máquinas provee mejor concentricidad durante el corte de cargas pesadas, en comparación con las máquinas que tienen husillos manejados por correa. 

Stahl dice que es igualmente importante considerar la sujeción de trabajos y la rigidez de la herramienta de corte durante el torneado en duro. Para atender la primera, el taller usa boquillas en lugar de mordazas para proveer mayor área de superficie de contacto con la barra de material.

“Además, la sujeción paralela es más fácil de lograr porque no hay elevación de las mordazas usando boquillas”, dice Stahl. “Todas las superficies que se emparejan deben estar limpias también, incluida la pieza de trabajo, la boquilla y la nariz del husillo”.

True Die usa el sistema de boquilla de cambio rápido Hardinge FlexC en sus máquinas Nexus (así como en muchos otros centros de torneado en el taller), el cual ofrece la desviación total indicada (TIR) en 0.0004 pulgadas. El FlexC también acelera el alistamiento y reduce el tiempo de cambio cuando se compara con los mandriles de mordazas convencionales. Este sistema ofrece un ensamble montado en el husillo, cabezas de boquillas y una llave manual con gatillo, usado para instalar manualmente o cambiar las cabezas de las boquillas cuando el mandril de la máquina está en posición no sujetada.

Las cabezas de las boquillas consisten en segmentos de acero endurecido que están unidos mediante un proceso de vulcanización. Debido a que no hay vástago de la boquilla, sus segmentos permanecen paralelos al material. La sujeción paralela minimizaría el retroceso del material y requiere menos fuerza de tracción para lograr la misma capacidad de agarre que las boquillas convencionales.

Este sistema puede acomodar diámetros de barra que van hasta 3.25 pulgadas; además, una cabeza de boquilla típica FlexC tiene un rango de agarre de ±0.020 pulgadas más corto y más largo que su tamaño nominal, para acomodar una variación del tamaño de la barra de material sin tener que cambiar a una boquilla de tamaño diferente. El taller usa mandriles estándar de tres y seis mordazas para diámetros de la pieza de trabajo mayores a 3.25 pulgadas. 

McCleary explica que para asegurar la rigidez de la herramienta de corte, lo más importante es posicionar los cortadores a la altura adecuada del centro de la herramienta. “Estar fuera de centro en apenas 0.002 pulgadas puede provocar ruido y vibración”, dice él. “Además, entre más pequeño sea el diámetro de la pieza de trabajo, más importante es la altura del centro de la herramienta”. Esto es porque, dada una misma distancia de la herramienta desde el centro de la pieza de trabajo, la proporción de error se incrementa con diámetros más pequeños de la pieza de trabajo.

También se debe minimizar la proyección de la herramienta del portaherramientas. Usualmente el factor determinante es el espaciamiento de la herramienta para el torneado OD cuando se usa un contrapunto y la profundidad del agujero cuando se perforan IDs. “Si la proyección está resultando en vibración, el primer paso es modificar las velocidades y avances”, explica McCleary. “El siguiente paso sería considerar un radio de nariz del inserto de la herramienta de corte diferente o la preparación del filo”.

En casi todos los casos, True Die usa herramientas de corte de nitruro de boro cúbico (CBN) para el torneado en duro, principalmente de Sumitomo. El taller ha encontrado que el CBN dura más que las cerámicas para materiales muy duros, es más repetible y puede operar con refrigerante. La desventaja es que los cortadores de CBN cuestan más que los de cerámica. Normalmente, usa el Sumiboron grado BNC200 para cortes continuos y el grado BNC300 para cortes interrumpidos (aproximadamente 25 por ciento del herramental redondo tiene cortes interrumpidos). Se dice que estos insertos ofrecen un buen balance de fractura y resistencia al desgaste, y ofrecen un recubrimiento de nitruro de aluminio titanio (TiAlN).

True Die usa insertos con forma de diamante que van desde 25 hasta 80 grados (generalmente ofrecen una geometría negativa) y radios de nariz que van desde 0.004 hasta 0.031 pulgadas. Normalmente se usa un inserto grado 55 para el torneado OD, con un radio de nariz de 0.030 pulgadas para operaciones de desbaste y un radio de nariz de 0.015 pulgadas para trabajo de acabado. Para cortes pesados interrumpidos se usa un inserto de diamante más fuerte grado 80. Para operaciones de perforado, el taller generalmente usa un inserto grado 80 con geometría positiva.

McCleary dice que hay compromisos cuando se escoge entre insertos que ofrecen geometrías negativas o positivas. “Hemos encontrado que los insertos con una geometría negativa son más fuertes que los insertos de geometría positiva y también pueden voltearse para ofrecer cuatro filos útiles”, explica él. Sin embargo, estos insertos crean más presión de corte y ofrecen menos espaciamiento. Un inserto de geometría positiva corta más libremente y tiene más espacio libre, pero tiene un filo de corte más débil.

En términos de datos de corte, no hay valores en firme para cada aplicación de torneado en duro en True Die, ya que varía según el tipo de material, dureza, relación L:D de la pieza de trabajo, condiciones de corte y demás. El taller puede operar apenas a 150 sfm para cortes pesados interrumpidos en materiales muy duros, hasta 550 sfm en materiales más suaves con una categoría de dureza modesta.

Stahl dice que la profundidad de corte típica (DOC) que el taller usa para operaciones de acabado es 0.003 a 0.004 pulgadas, aun cuando los representantes de las herramientas de corte han sugerido que el DOC debería ser por lo menos la cantidad del radio de nariz de la herramienta. Sin embargo, True Die ha encontrado que, en algunos casos, tales como cuando la relación L:D de la pieza de trabajo es mayor a 20:1, la presión de un corte más profundo causaría demasiada deflexión de la pieza de trabajo y generalmente evitaría mantener tolerancias. Esta presión puede incluso impartir esfuerzo en la parte, causándole distorsión.

Al dejar 0.019 a 0.012 pulgadas de material para que sean retiradas después del tratamiento térmico, pueden llevarse a cabo tres pasadas de torneado en duro alrededor del mismo DOC de 0.003 o 0.004 pulgadas. De esta forma, la presión de la herramienta es la misma para cada pasada.

“Si la parte se tornea previamente según especificación, el operario debería ser capaz de retroceder la herramienta en la cantidad total de material que recién se retiró, de modo que la herramienta estará apenas raspando la parte”, explica Stahl. “Así, es cuestión de tomar la primer pasada para presentar una buena superficie para medir la pieza de trabajo, tomar la segunda pasada y medir para asegurar que la operación se está repitiendo, y luego tomar la pasada final para llevar la pieza de trabajo a su tamaño final”.

El uso de este método permite al taller empujar una herramienta hasta que cesen las repeticiones. El desgaste es normal y esperado, y puede manejarse mientras que el inserto se esté desgastando a una cantidad repetible. Sin embargo, los insertos deben ser cambiados o indexados para tener un filo fresco si el filo actual no está repitiendo.

Salvo para los cortes interrumpidos, el taller opera con refrigerante en casi todos los casos. Usa refrigerante no para barrer las virutas o proveer lubricación, sino para mantener la parte fría. “Algunas veces dirigiremos el flujo del refrigerante lejos de la punta del inserto, incluso hacia el lado opuesto de la parte en algunos casos”, dice McCleary.

“Los materiales de metal en polvo de alta dureza generan una gran cantidad de calor durante el torneado en duro, hasta el punto en que la expansión térmica puede superar nuestras tolerancias permitidas. Además, si no se usa refrigerante, el operador tendría que enfriar la pieza de trabajo después del torneado en duro en lugar de medirla. El uso del refrigerante nos permite medir una parte instantáneamente”. El taller no usa refrigerante para cortes interrumpidos debido a la posibilidad de fractura térmica del filo de corte.

Máquinas dedicadas al torneado en duro cuando sea posible

Una de las dos máquinas Quickturn Nexus de True Die está reservada para el trabajo de torneado en duro, mientras la otras se usa algunas veces cuando se necesita capacidad para el torneado convencional. De hecho, Stahl cree que es importante dedicar un centro de torneado para los procesos de torneado en duro si es posible. “Si usted tiene el trabajo para llenar el programa de una máquina con operaciones de acabado mediante torneado en duro, entonces ¿por qué maltratar esa máquina desbastando con ella también?”, él pregunta.

“A largo plazo, es mejor mantener una máquina dedicada al torneado en duro, ya que pienso que extiende la cantidad de tiempo que esa máquina puede desarrollar efectivamente esas operaciones precisas. Además, le permite mantener listas todas las herramientas apropiadas de torneado, refrentado y perforado en la máquina, lo cual agiliza los alistamientos. No obstante, no siempre es práctico comprometer una máquina con el torneado en duro, especialmente en un taller de trabajos de bajos volúmenes y alta mezcla”.