Optimización del rectificado interno de herramientas

¿Cómo saber si el rectificado de herramientas en la propia empresa es la decisión más inteligente? A esta coyuntura se enfrentó Jeremy St. Pierre, ingeniero jefe de manufactura en GKN Aerospace Engine en Newington, Connecticut.

Las rectificadoras de herramientas CNC y el equipo auxiliar necesario representan una inversión significativa para la empresa. Por ello, la dirección de GKN le pidió a St. Pierre que estudiara su consumo de herramientas y proyectara el ahorro potencial que podrían conseguir con el rectificado de herramientas en sus instalaciones.

Un factor clave, explica St. Pierre, era el hecho de que muchas de sus herramientas podían rectificarse varias veces. Por ejemplo, señaló sus numerosos endmill cónicos de punta esférica, que permitían ser afilados hasta conseguir la “forma real deseada, siempre”.

Desafíos del reafilado de herramientas complejas

Por el contrario, advierte St. Pierre, varias de estas herramientas son complejas, con indexación desigual y hélices variables, por lo que muchos proveedores externos no quieren reafilar estas herramientas a menos que las hayan fabricado originalmente. Por eso, si uno no puede reafilarlas por sí mismo, se queda limitado con un proveedor, lo que resulta costoso y arriesgado.

Pierre también descubrió que algunas de sus herramientas de gran volumen eran muy caras por no ser estándar en el sector.

“En lugar de tener un cortador de media pulgada, podíamos tener uno de 0.485 pulgadas de diámetro. Como técnicamente se trata de una herramienta personalizada, pagábamos un sobreprecio y teníamos que pedir herramental para 12 semanas. Y con largos plazos de entrega”.

Al calcular el costo real de las herramientas, incluida la frecuencia con la que tenían que “enviar 70 herramientas a la vez para conseguir un buen precio”, St. Pierre justificó la inversión con un cuarto de herramientas más capaz de lo previsto, con cuatro rectificadoras de herramientas ANCA MX7 Linear, una máquina de medición Zoller “titan”, y un completo equipos de soporte como una afiladora de ruedas y una máquina de acabado por arrastre. Sin embargo, el plazo de amortización resultó ser de solo dos años.

Dicho esto, St. Pierre reconoce que GKN es una gran empresa que gastó una fortuna en herramientas, por lo que empezar con menos tiene más sentido para muchas empresas. También sugirió considerar en detalle las “soluciones fáciles”, las herramientas que son importantes y factibles, “antes de decir: ‘Podemos traerlo todo’”. Entonces se pueden determinar con confianza la rectificadora y el engranaje asociado y ver si los números cuadran.

Beneficios de tener un taller de herramientas interno

El taller de herramientas de St. Pierre mejora de manera significativa la eficacia global de GKN al simplemente entregar con rapidez las herramientas que necesita la planta de producción. Y no se trata solo de reafilados.

“Actualmente utilizamos las máquinas ANCA para rectificar desde herramientas de un octavo de pulgada de diámetro hasta herramientas de una por ocho pulgadas, con una longitud de corte de cinco pulgadas y media —explica Saint Pierre—. Hacemos muchas herramientas personalizadas y las reparaciones de emergencia que sean necesarias. Ahora fabricamos cualquier herramienta que pueda fabricarse por fuera. Hacemos herramientas para materiales compuestos, herramientas para materiales especiales, herramientas para plástico, madera... lo que haga falta”. Los plazos de entrega de herramientas a medida son de tan solo un día, añade, y de dos semanas como máximo. “Y si solo quieren una, se la hacemos”.

Adaptar los diseños para mejorar el mecanizado

Podría pensarse que un taller interno de rectificado no elaboraría mejores herramientas de corte que los fabricantes especializados. Pero gracias a que se han enfocado en GKN y a la voluntad de St. Pierre de experimentar, el equipo ha “superado a una buena cantidad de herramientas de otros fabricantes de herramientas muy conocidos —afirma St. Pierre—. No es que sea nuestra intención. Solo que somos capaces de centrarnos en nuestras operaciones y nuestros productos y personalizar una herramienta para ese entorno de producción. Tenemos la capacidad de ajustar herramientas solo para nosotros”.

St. Pierre resume su enfoque como “forzar las cosas hasta que se rompan y luego reajustarlas para hacer la mejor herramienta”. Prueban las herramientas en la planta de GKN si hay máquinas paradas, o las envían a su sede sueca, donde tienen una máquina de inspección específica y pueden proporcionar información inmediata. También entregan herramientas de muestra a empresas con las que han trabajado a lo largo de los años y les piden su opinión.

Reconoce St. Pierre que también ANCA (con sede en Wixom, Michigan) le ha ayudado a superar algunos de sus retos en el diseño de herramientas. “Voy a Michigan varias veces al año porque el viaje merece la pena. Si tengo problemas, le doy a ANCA herramientas que no fabrica mucha gente y nos sentamos juntos a diseñarlas. O me llaman y lo hacemos por teléfono. En uno o dos días tenemos una herramienta. Y no piden nada a cambio. Solo quieren saber cómo va. Han ayudado mucho”.

Un descubrimiento sorprendente que reportó St. Pierre fue poder eliminar la necesidad de recubrimiento en muchas de sus herramientas, y en su lugar bruñir el filo cortante en una máquina de acabado por arrastre OTEC.

“Nuestras herramientas duran más con el filo preparado que con el recubrimiento, —observa—. Recubrimos muchas de nuestras herramientas si se utilizan para mecanizado a alta temperatura. Pero fabricamos muchas bolas cónicas de titanio y hemos hecho numerosas inspecciones. Solo tenemos que preparar los bordes de las herramientas y duran mucho. A veces hemos llegado a tener cuatro veces más vida útil que con herramientas anteriores”.

Además del mayor rendimiento, añade St. Pierre, el reafilado de cantos también elimina el plazo de aproximadamente una semana necesario para el recubrimiento, sin contar el costo del envío y manipulación adicionales. “Un reafilado puede costar 5 o 100 dólares —añade—. Pero si es un reafilado de 5 dólares, sigue siendo un recubrimiento de 10 dólares. Básicamente, el costo de la herramienta es tres veces mayor. Podemos eliminar eso con un proceso que lleva unos segundos”. El tiempo medio de bruñido de GKN es de aproximadamente un minuto, y el OTEC procesa 25 herramientas a la vez, según St. Pierre.

Centro de rentabilidad independiente

El taller de St. Pierre está anexo a la planta de motores aeroespaciales de GKN en Newington, Connecticut, pero funciona como un centro de beneficios independiente.

Prestan servicio a las siete plantas de GKN Aerospace Engine en Norteamérica, además de vender herramientas a otras empresas aeroespaciales locales. Incluso, han sido capaces de realizar trabajos externos para otras empresas con el fin de aumentar sus ingresos.

Para GKN se trata de una posibilidad al margen, pero también merece la pena tenerla en cuenta a la hora de decidirse por el rectificado de herramientas en la propia empresa.

Elegir la rectificadora adecuada

Si está listo para dar el paso hacia el rectificado de herramientas, la siguiente consideración en importancia es en qué rectificadora de herramientas debe invertir. Naturalmente, la facilidad de uso y el soporte son factores clave, y conviene pensar más allá del fabricante de la máquina.

Pregúnteles a sus proveedores habituales qué máquinas utilizan y si están dispuestos a compartir programas u ofrecer otro tipo de asistencia. Para GKN, ANCA era una opción clara, porque son líderes del mercado y la operación sueca tenía máquinas ANCA.

“De esta forma podemos ayudarnos mutuamente —explica St. Pierre—: podemos enviarnos programas, rectificamos de la misma forma... Si necesitan que fabriquemos herramientas, nos envían un programa, nosotros ejecutamos las herramientas, las enviamos de vuelta y las herramientas son exactamente como si las hubieran fabricado allí.”

Hay que subrayar que, aunque St. Pierre tenía años de experiencia en la manufactura y la resolución de problemas cuando empezó el proyecto en GKN, nunca había rectificado una herramienta. Lo mismo puede decirse de todos los que se unieron al equipo a partir de entonces.

“Contraté a personas que tenían inclinaciones mecánicas y entendían el mundo real y cómo no complicar demasiado las cosas —cuenta St. Pierre—. Todos estaban nerviosos al principio, pero lo primero que hicimos fue volar a Michigan para dos semanas de capacitación con ANCA. Y luego empezamos a correr”. Desde entonces han estado aprendiendo y han cometido algunos errores, añadió. Pero solo una vez enviaron una herramienta que falló.

St. Pierre elogió el software de ANCA: “Todo su material, ya se trate de recalibrar, volver a poner en marcha, volver a enseñar una posición cuando se está automatizando, realmente te guía. Es la máquina más fácil de usar que he utilizado hasta ahora. Puedo seleccionar a alguien de la planta que nunca ha visto la máquina, y puede hacer una herramienta en media hora. Diseñar una en la máquina y mecanizarla sin saber lo que está haciendo”.

Contar con una máquina de medición adecuada

Podría decirse que la segunda decisión de inversión en importancia en un cuarto de herramientas, especialmente en una empresa aeroespacial, es el equipo de inspección. Zoller, con sede en Ann Arbor, MI, era otra opción natural.

En primer lugar, GKN ya tenía preajustadores Zoller, y St. Pierre valoró la buena relación de trabajo que habían establecido. En segundo lugar, Zoller mantiene una estrecha colaboración con ANCA, que se traduce en soluciones que aumentan la capacidad de ambas máquinas.

Por ello, GKN optó por una Zoller “titan” de gama alta, que puede medir automáticamente todos los atributos de la herramienta de forma óptica, incluidas la forma de la flauta y la preparación del filo.

Automatización con alta precisión

GKN optó por añadir cargadores robotizados a todas sus rectificadoras de herramientas ANCA MX7, además del reavivado y la medición interna de las ruedas. Las máquinas también tienen un láser integrado que puede escanear un perfil de herramienta y compensar automáticamente el programa de rectificado para corregir cualquier desviación de la forma nominal.

Estas características se combinan para permitir que las máquinas produzcan herramientas de tolerancia ajustada durante un turno sin personal. “Nos mantenemos en un margen de precisión de más cero y menos media milésima en nuestras herramientas —afirma St. Pierre—. Y una tolerancia más ajustada en algunas herramientas. Si se trata de una punta esférica para mecanizado de acabado, nos atenemos a un par de décimas”.

La Zoller “titan” también tiene un cargador robotizado, que el fabricante denomina “roboSet2”. Es más, las cuatro rectificadoras y la máquina de medición pueden cambiar automáticamente el diámetro de la herramienta durante la operación sin luz.

Esto es importante, explica St. Pierre, porque fabrican 400 números de pieza diferentes para GKN. No hacemos lotes de 1,000, sino de 15” a 20”. Y, con muy pocas excepciones, tienen que inspeccionar entre el 10 y el 100 % de todas sus herramientas. Por tanto, un sistema de sujeción flexible es esencial para evitar cuellos de botella.

Ambos sistemas utilizan chucks hidráulicos Schunk, que sujetan diferentes diámetros con la inserción de un manguito intermedio. En el caso de GKN, un robot cambia el manguito. Como ilustra St. Pierre: “El roboSet (o el cargador MX7) ya tiene todos los manguitos dentro y sabe dónde están. Digamos que el lote número uno es una herramienta de media pulgada. El robot cogerá el manguito de media pulgada y lo cargará en el chuck.

“A continuación, ejecutará todas esas herramientas de media pulgada y reportará los datos necesarios. Una vez hecho esto, cambiará los manguitos, tomará la herramienta del siguiente tamaño y empezará a ejecutar el programa. Solo tienes que escribir el programa y seleccionar la programación”. GKN personalizó sus pallets para albergar cinco tamaños diferentes y St. Pierre dijo que pueden ejecutar veinte diseños de herramientas diferentes a través de la Zoller en un turno sin personal.

GKN utiliza el software de herramientas ANCA para producir impresiones muy detalladas de sus herramientas, “en lugar de solo los sólidos ficticios a los que la industria está acostumbrada, como dijo St. Pierre: “De este modo podemos incluir todos los parámetros de la herramienta física real y su diseño”. Estas impresiones dictan la rutina de inspección.

“En una herramienta estándar, pasamos por entre 22 y 30 parámetros diferentes. Pero fabricamos muchas herramientas de índice y hélice variables, así que tenemos que comprobar todos los canales, especialmente en una configuración”.

St. Pierre añade que una inspección completa y detallada “puede llevar diez minutos, pero se pueden personalizar los programas y comprobar en menos de un minuto” un subconjunto de características específicas.

Control de calidad era necesario

Para cumplir los requisitos de control de calidad, GKN necesita una máquina de medición autónoma del calibre del “titán”. Pero fíjese cómo se solapan las capacidades de medición de la ANCA con las de la Zoller. ¿Cómo se dividirían las tareas que pueden realizar ambas? ¿Pueden cooperar las máquinas? Para St. Pierre, además de conseguir la calidad de herramienta requerida, el objetivo es maximizar la productividad.

Así, por ejemplo, si hay un operario disponible, preferiría utilizar la máquina “titan” para escanear un perfil de herramienta y enviar los datos de compensación necesarios a la rectificadora, en lugar de utilizar el láser interno de ANCA. De este modo se mantienen las herramientas de rectificado MX.

St. Pierre también se refirió a situaciones en las que el operario puede no estar seguro de cómo realizar un ajuste. “Utilizaremos la Zoller para efectuar la medición y la enviaremos de vuelta al programa de rectificado para hacer las correcciones. Es bueno que puedan hablar entre sí con bastante facilidad, y no fue demasiado difícil de configurar. Lo hemos utilizado en herramientas más avanzadas en las que hay tantos parámetros que una cosa puede afectar a la otra. Así que dejamos que la Zoller nos ayude con ellos”.

GKN ahora empieza a utilizar la Zoller para medir las ruedas de rectificado, lo que, de nuevo, maximiza la productividad de la MX. GKN usa la Zoller, además, para medir las muelas, lo que maximiza la productividad de la MX.

“Estamos instalando el equipo para que la Zoller realice todas las mediciones de las ruedas, de modo que podamos configurar un lote completo y, a continuación, solo tenemos que transmitir los datos a las rectificadoras”, explica St. Pierre.

También GKN dispone de una afiladora de ruedas independiente para acondicionar las ruedas fuera de línea. Pero, como ya se ha dicho, si se trata de un turno sin personal, las máquinas MX pueden estar rectificando y midiendo las herramientas en proceso, además de medir y reavivar las ruedas. Mientras tanto, la Zoller realizaría la inspección de la herramienta acabada en herramientas previamente rectificadas.

Otros equipos auxiliares

Cualquier taller de rectificado de herramientas necesita filtración de refrigerante y control de temperatura, de lo que en GKN se encargan los sistemas Transor de doble recipiente

Las tronzadoras también son útiles para dimensionar las piezas en bruto de carburo. En este caso, GKN adoptó un enfoque creativo y optó por una electroerosionadora de hilo Makino U6.

En palabras de St. Pierre, “la diferencia de precio no era lo bastante importante como para justificar un gasto tan elevado en una máquina que solo puede cortar. Así que compramos una electroerosionadora de hilo para hacer cortes a medida en grandes lotes. También fabricamos nuestros propios calibres de fijación e inspección para toda la empresa. Esa máquina se amortizó el primer año haciendo cosas que no tienen que ver con herramientas rectificadas”.

Añade que también emplearán la electroerosión para cortar perfiles de herramientas y rectificar después el canal y el diámetro exterior en los ANCA. “Podemos mantener tolerancias de rectificado en nuestra EDM”. Ya la utilizan en la fabricación de bujes de luneta para los ANCA.

Añada el software de administración de las herramientas TMS de Zoller, una impresora 3D para pinzas robóticas y otras herramientas, una torre de almacenamiento Modula VLM y un marcador láser, y verá que el cuarto de herramientas de GKN es tan autosuficiente como eficiente. Fue “mucho trabajo” y una gran inversión. Pero como lo resumió St. Pierre, “nadie considera este proyecto una mala inversión. Todos dicen que ojalá lo hubiéramos hecho antes”.