Proceso de mecanizado en 5 ejes con 10 elementos de automatización

La automatización es evidente incluso para el ojo inexperto cuando se observa la nueva máquina de cinco ejes de Phoenix Proto con un pool de palets de seis estaciones y un sistema de carga de palets (aplica igual para una de sus máquinas de tres ejes equipadas de forma similar). Dicho esto, hay otros elementos de automatización, quizás más sutiles, que complementan el proceso de cinco ejes del taller. Estos elementos son los que permiten que el proceso logre repetidamente las tolerancias y acabados superficiales requeridos para los componentes de moldes de aluminio del taller;  con una mínima intervención humana, si acaso, se ajustan las variables inherentes que pueden afectar negativamente la precisión del mecanizado y la productividad.

Este punto sobre la productividad es importante porque la meta del taller de Centreville, Michigan, es proveer moldes de aluminio ensamblados a los clientes en tres semanas, de modo que es imperativo entregar rápidamente componentes de herramental mecanizados con calidad.

Bob Lammon, presidente de la compañía, dice que el aluminio continúa usándose comúnmente para manufacturar prototipos y herramental “puente” (moldes usados temporalmente para permitir que una compañía comience a moldear por inyección partes plásticas para nuevos productos, mientras espera que se complete el herramental de producción en acero). Sin embargo, él ha observado un interés creciente en usar moldes de aluminio para la producción en lugar de los tradicionales en acero.

“Según la geometría y resina de la parte moldeada por inyección, es posible obtener hasta 50,000 salidas de un molde de aluminio sin recubrimiento”, explica el señor Lammon. “En algunos casos, esto puede bastar para soportar las necesidades de producción. No obstante, al endurecer los moldes de aluminio hasta 54 HRC mediante alguna tecnología tal como la del proceso de recubrimiento de níquel duro Nibore que nosotros usamos, es posible obtener 1 millón o más salidas para una resina no abrasiva, y quizás 250,000 para una resina abrasiva rellena de vidrio”.

Las aplicaciones para los moldes que el taller produce son variadas, incluidas partes para aparatos domésticos, industria automotriz, consumo, médica y contraincendio. Esto lleva a una alta mezcla de tamaños de moldes, características y geometrías que el área de mecanizado debe acomodar en pedidos cortos. Lammon dice que la solución natural fue automatizar un proceso de mecanizado de alta velocidad en cinco ejes para conseguir corridas largas de producción desatendida/sin luces para los componentes de moldes más complejos. Esto se está logrando, como pude ver durante una reciente visita al taller de Michigan.

Adiciones de automatización en máquinas CNC

Phoenix Proto tiene tres máquinas de alta velocidad y tres máquinas CNC convencionales. El primer centro de mecanizado automatizado que el taller añadió fue una máquina de tres ejes Roeders RXP500 comprada en 2012. Esta máquina de motor lineal y 42,000 rpm ofrece un sistema de cambio de palets RCE 1 con un pool de palets de seis estaciones. Ahora se usa principalmente para mecanizar componentes como bases de moldes y bloques de cavidad.

Hoy, casi todo el mecanizado de cavidades de moldes y núcleos se desarrolla en la nueva Roeders RXP601DHS de cinco ejes con un sistema de cambio de palets más grande, el RCE 2. Esta, la primera y única (por lo menos por ahora) máquina de cinco ejes del taller, fue instalada a principios de 2016. Al igual que la Roeders de tres ejes de alta velocidad también tiene un husillo de 42,000 rpm y controles de motor lineal con resolución de 1 nanómetro. Los motores lineales son clave para el movimiento rápido: permiten tasas de recorrido rápido de 2.362 ipm. También ofrecen menos fricción que los tornillos de bolas, lo cual resulta en un menor consumo de energía. 

La máquina de cinco ejes con un espacio de mecanizado de 54.1 por 63.5 por 39.88 cm y peso máximo de la pieza de trabajo de 220 kilos ofrece un diseño estilo Trunnion con giro en el eje A que varía ±115 grados. El otro movimiento rotativo es provisto por la bandeja del eje C en el Trunnion. Según Matt Byers, presidente de Roeders of America, el diseño Trunnion en el cual el husillo impide el movimiento rotacional del eje tiende a ser más rígido que las plataformas de las máquinas de cinco ejes; así se permiten cortes pesados.  Además, el bajo centro de gravedad de la pieza de trabajo mantiene bajas las fuerzas inerciales para mitigar cualquier efecto de cabeceo o inclinación durante el movimiento a alta velocidad.

Byers también cree que la tecnología de control propia de la máquina ofrece ventajas para el tipo de fresado de alta velocidad que desarrolla Phoenix Proto. Dos parámetros importantes para facilitar un fresado efectivo de alta velocidad son mirar hacia delante y la velocidad de procesamiento del bloque. El CNC basado en el PC RMS6 de la máquina ofrece una visión a 10,000 bloques y velocidad de procesamiento de bloque de 0.1 milisegundos.

La alta productividad, posible por los rápidos tiempos de ciclo de la máquina usando técnicas de mecanizado de alta velocidad, se complementa con todos los elementos de automatización que son incorporados en este proceso. Aquí hay 10 elementos de automatización que noté durante mi visita:

1. Sistema de carga y pool de palets

El sistema de cambio automático de palets RCE 2 de la máquina de cinco ejes tiene un pool de palets de seis estaciones, aunque el taller a veces fija más de una parte en un palet. Cada palet mide 59.94 por 39.88 centímetros.

Por solicitud de Phoenix Proto, la pinza de sujeción del sistema de carga fue modificado. Originalmente, no podía haber salientes de la parte por fuera de los bordes del palet. Tras la modificación de la pinza para que pueda levantar desde el fondo del palet, el sistema puede cargar piezas de trabajo más grandes. Ahora, el tamaño de la parte sólo está limitado por la capacidad de la máquina, no del cargador.

El taller usa el software de administración de trabajo de Roeders para programar y administrar los trabajos. Se trata de programar los trabajos largos para que se ejecuten por las noches y en fines de semana; actualmente, tienen un turno de 12 horas cinco días a la semana. Alternativamente, se trata de asegurar que se hayan configurado suficientes trabajos de corridas más cortas para que la máquina permanezca ocupada por su cuenta.

2. Máquina

El mecanizado de cinco ejes es en sí mismo una forma de automatización. Hay dos tipos de procesos de cinco ejes: contorneado y posicionamiento (también conocido como “3+2”). Phoenix Proto desarrolla posicionamiento 3+2 en su máquina el 75 por ciento del tiempo. Para esto, la máquina usa sus dos ejes rotativos adicionales sólo para inclinar angularmente la pieza de trabajo y luego bloquearla en esa posición. Después de eso, desarrolla en esa orientación lo que cuenta como una operación de tres ejes. Una ventaja es que esto ofrece acceso a la herramienta a los cinco lados de una parte en una sola fijación. Esto minimiza el número de alistamientos, el número de máquinas que, de otra forma, una parte podría tener que cruzar, y así, el número de veces que una parte es “tocada” durante la producción (por ejemplo, su “automatización”).  

La capacidad de inclinación de la parte a través del 3+2 también permite que las herramientas alcancen ubicaciones lejanas en las partes para crear características complicadas del molde, tales como refuerzos profundos. En algunos casos, esto ha eliminado las operaciones secundarias de electroerosionado por penetración y la necesidad asociada de mecanizar electrodos. Además, los portaherramientas de ajuste por contracción que se usan  tienen diámetros más pequeños que los diseños estilo boquilla, lo cual permite un espacio libre adicional.

Con 3+2, el taller también puede usar cortadores más cortos y más rígidos. Pueden hacerse cortes más rápidos y más agresivos usando herramientas más cortas sin tanto riesgo de vibración como el que puede ocurrir si se requirieran herramientas más largas. La vibración puede llevar acabados superficiales pobres, los cuales, en el caso de Phoenix Proto, requerirían más trabajo de banco manual en los componentes de moldes o incluso trabajo secundario de electroerosión para lograr acabados de calidad, extendiendo el tiempo de producción general. El taller también es capaz de lograr mejor vida útil de la herramienta para los escariadores de bola, porque cuando las partes se inclinan en diferentes ángulos puede usarse más porción del radio de la herramienta, no sólo la punta. Mecanizar en otras áreas del radio y no en la punta (el punto donde la velocidad rotativa es cero) también conduce a mejores acabados superficiales.

3. Sondeo de activación por contacto

Después de que una nueva parte se carga en la máquina, una rutina de sondeo automática con una sonda activada por contacto identifica la ubicación de varios puntos en la parte o en el dispositivo de sujeción del trabajo para establecer la ubicación exacta de la parte en la máquina. El CNC de la máquina ajusta, entonces, automáticamente el sistema de coordenadas de trabajo nativo para que coincidan. Esto elimina las calzas manuales, empujes a la parte y otras necesidades demoradas que de otra forma se requerirían para conseguir que la parte quede nivelada y alineada para ajustarse perfectamente al sistema de coordenadas de la máquina.

4. Ciclo de calibración automático

La máquina de cinco ejes tiene varios canales de enfriamiento en su base, rieles, carros y demás, de modo que esos componentes no se expandirán por fuentes internas de calor. Sin embargo, para adaptarse a fluctuaciones en la temperatura ambiente en el taller (digamos que del principio del día al final del día), puede desarrollarse un ciclo automático de calibración usando la sonda de activación por contacto.

El ciclo de calibración Roeders se lleva a cabo de forma diferente a la mayoría de los procesos de otros fabricantes de máquinas-herramienta, explica Byers. Él dice que esos ciclos generalmente requieren que el palet que está cargado en la máquina sea retirado y reemplazado por otro palet que tenga una bola de herramental. Esta bola luego se sondea para determinar cuántos cambios han ocurrido en su ubicación debido a cambios en la temperatura ambiente del taller. Por el contrario, el ciclo Roeders no requiere retirar el palet que ya está con la pieza de trabajo. La máquina tiene prismas rectificados con precisión en su fundición del brazo Trunnion y en la fundición del motor del eje C, los cuales son sondeados para determinar cualquier cambio de posición y, si es necesario, compensar automáticamente esos cambios. Phoenix Proto desarrolla esta rutina de calibración una vez al mes, a menos que se note un problema, y algunas veces la desarrolla antes de una pasada de acabado crítica.

5. Compensación de crecimiento del husillo

Byers dice que algunos fabricantes de máquinas-herramienta crean algoritmos para cada máquina antes de enviarla al cliente para aproximar cuánto se expandirá su husillo a diferentes velocidades y tiempos de operación. Sin embargo, él indica que es imposible tener en cuenta todas las diferentes formas en que el cliente podría usar la máquina de un día al otro. La máquina de cinco ejes de Phoenix Proto tiene un sistema opcional de compensación de husillo automática para adaptar la expansión (o contracción) del husillo en tiempo real. El sistema usa un sensor sin contacto adherido a un brazo en forma de L ubicado cerca a la cara del husillo (ver la foto). El sensor con resolución de nanómetro detecta cuánto se expande o se contrae el husillo durante la operación y retroalimenta esa información al CNC para ajustar el eje Z hacia arriba o hacia abajo para compensar. Esto es especialmente importante para operaciones de cinco ejes, porque cuando una parte se inclina, el crecimiento del husillo podría afectar la ubicación de la punta de la herramienta en los tres ejes lineales, no sólo en Z. La compensación automática ayuda a asegurar acabados y mezclas superficiales buenas y consistentes.

6. Ajuste de herramientas láser en la máquina

Después de cada cambio de herramienta, la longitud y diámetro de la nueva herramienta se miden automáticamente usando la sonda de alistamiento de herramientas láser Blum en la máquina (la sonda láser, así como la bola de calibración de herramienta de la sonda por contacto, se ubican por fuera del área de mecanizado en el cambiador de herramientas, de modo que están protegidas contra virutas y refrigerante). El taller especifica una banda de tolerancia para cada diámetro de la herramienta. Si la sonda detecta que el diámetro de una herramienta está fuera de tolerancia, no permitirá realizar el mecanizado usando esa herramienta. Por ejemplo, si un escariador de bola de 0.250 pulgadas mide ±0.0002 más grande o más pequeño, no será usado. Esto también aplica a la longitud del cortador.

Antes de esto, el láser determina si la herramienta que se está retirando está fracturada. Si es así, pero está programada para usarse en trabajos posteriores en cola en el pool de palets, no detendrá la producción en esos trabajos. “Por ejemplo, si la herramienta en la posición cinco del ATC se encuentra fracturada, la máquina retirará la parte en la cual esa herramienta se ha fracturado, carga el siguiente trabajo programado y ejecuta ese trabajo hasta que alcanza la etapa donde la herramienta en la estación cinco sería usada”, explica el hijo de Lammon, Scott, Director de Operaciones de la compañía y uno de los dos que programan y alistan la máquina de cinco ejes. “Entonces, la máquina retiraría esa parte y se movería al siguiente trabajo en la cola. Este proceso continuaría para cada trabajo cargado”.

7. Ajuste de la boquilla de refrigerante

En lugar de usar solamente boquillas convencionales flexibles de refrigerante que deben ser posicionadas manualmente, la máquina de cinco ejes tiene un sistema de entrega de refrigerante que ajusta automáticamente la dirección del chorro de refrigerante al punto de corte, sin importar cuán larga sea la herramienta. La dirección de las boquillas se ajusta a través de un código M basado en la longitud conocida de la siguiente herramienta que se instala en el husillo.

8. Función de programación de auto-inclinación

Chris Claar es el gerente de ingeniería de Phoenix Proto, quien también programa y alista la máquina de cinco ejes. Él dice que en 2010 el taller desarrolló un estudio de tiempos comparando su software CAD/CAM anterior con el software Cimatron. “Nosotros cambiamos a Cimatron después de que nuestro estudio mostró ahorros de 30 por ciento en tiempo de programación frente al otro software”, explica Claar. “Una característica de ahorro de tiempo que apreciamos es la función de auto-inclinación de cinco ejes. Debido a que en el software tenemos modelados en 3D todos los componentes de la máquina, así como la pieza de trabajo, las fijaciones y el herramental, la función de auto-inclinación es capaz de determinar a qué profundidad podrían el cortador o el portaherramientas golpear la parte, y entonces inclina automáticamente la parte para prevenir el choque y permitir que la operación continúe”. El software también usa esos modelos 3D para permitir que los programadores desarrollen simulación fuera de línea de las operaciones de mecanizado para detectar potenciales impactos.

9. Verificación de sintaxis

Además de las simulaciones fuera de línea que realizan los programadores en Cimatron para cada programa, ellos también usan una función de verificación de sintaxis en el control Roeders que automáticamente hace una lectura de prueba del programa y del posprocesador para identificar cualquier error antes de programar el trabajo.

10. Reinicio del programa

Si hay necesidad de detener la máquina en la mitad de un programa, no es necesario que el programador entre manualmente al programa enviado, busque el número de línea en la cual la máquina fue parada y luego borre todo el código de arriba para que reinicie en la posición adecuada en la cual se dejó. Con el control Roeders, un operador simplemente ingresa el número de línea en el archivo de comandos, y este leerá automáticamente el programa para reiniciar desde allí. 

Paz mental con la automatización

Aunque hay una buena cantidad de consideraciones en la estrategia de mecanizado desatendida de Phoenix Proto, ellos se dan cuenta de que lo inesperado puede ocurrir. Por eso es que tanto las máquinas Roeders de tres ejes y de cinco ejes están configuradas para enviar alertas por mensaje de texto o email con los mensajes de error. También es posible entrar remotamente a los controles de las máquinas a través del software en línea “Team Viewer”, sólo para que los técnicos de servicio de Roeders puedan realizar un diagnóstico remoto de la máquina para tener una idea de si un componente necesita reemplazarse, si un control necesita ajustarse y demás (de hecho, el ajuste de un control puede realizarse remotamente usando este software, dice Byer).

Dicho esto, el taller tiene otra opción. Han colgado una cámara en el techo entre las dos máquinas Roeders, a la cual pueden acceder los programadores a través de sus teléfonos para ver lo que está pasando (ver foto). Ellos pueden mover la cámara y acercar la imagen de la máquina o de su pantalla CNC para ver (y oír) el estado de los trabajos que se realizan. “Tan ocupados como estamos ahora, reviso en mi teléfono un par de veces durante la noche, porque una máquina por fuera realmente puede arruinar nuestro programa”, dice Claar. “Es como si estuviera frente a la máquina”.