Certeza en el estado de las herramientas

Usted puede pararse en una pasarela sobre la planta de producción de GKN Aerospace en San Louis, Missouri, y ver el progreso de las máquinas fresadoras de husillo múltiple que están siendo reconstruidas en estas instalaciones. Las máquinas renovadas son todas azules.

Estas enormes máquinas, que producen piezas grandes para aeronaves, tienen capacidad para fresar, a la vez, tres piezas de aluminio o titanio con sus pórticos de tres husillos. El tamaño típico de la cama para una de estas máquinas es de 3,9 metros de ancho por 27 metros de largo. Las máquinas son reconstruidas sistemáticamente, renovando el hardware y reemplazando los controles. El paso final en cada una de estas reconstrucciones es repintar la máquina de azul. Ahora, con 27 de las 54 máquinas pórtico reconstruidas de esta forma, la inversión ha sido tan grande que el azul profundo está empezando a dominar en las instalaciones.

La inversión ha sido tan grande que también afecta a la planta de otra forma importante. GNK llegó a una conclusión que resalta el gran valor de todo este trabajo. Específicamente, la planta notó que el beneficio total de la inversión en reconstrucción de máquinas se obtendría sólo cuando lograra tener su manejo de herramientas bajo control.

Ahora, cuando la reconstrucción de los pórticos continúa, GNK ha instalado un nuevo sistema de manejo de herramientas que cambia drásticamente la forma como la planta asigna, organiza e incluso carga el herramental para estas máquinas.

Llegar a este punto no fue fácil. Los errores relacionados con la herramienta se han interpretado siempre como una parte inevitable del proceso de mecanizado de piezas complejas en máquinas tipo pórtico. Algunas de estas partes pueden requerir cientos de herramientas y los errores en las herramientas suelen ser el resultado no sólo de anomalías en la instalación de las mismas, sino también de fallas en la fabricación. Cuando dichos errores son pequeños, pueden producir defectos que deben ser corregidos más adelante. Cuando los errores son grandes, normalmente se evidencian antes de que puedan dañar la pieza, pero esto no pasa siempre. En un evento importante, un error de la herramienta causó un sobrecorte que generó cientos de miles de dólares en material de titanio desperdiciado.

Al evidenciar este evento, la gerencia corporativa de GNK investigó qué podría hacerse para evitar que esto ocurriera nuevamente.

Un sistema de “preajuste automático” fue la respuesta inicial del equipo de la planta. Así pues, la planta necesitaba un sistema de medición de herramientas suficientemente sofisticado para llevar a cabo una inspección detallada de cada herramienta.

Sin embargo, una reflexión y discusión posterior entre el personal de Saint Louis reveló que el preajuste por sí solo no sería suficiente. Una herramienta calificada como no adecuada por el sistema de preajuste podría mantenerse en uso para la producción, mientras que una herramienta considerada correcta por el sistema de preajuste puede mantenerse en uso para la producción con un programa o desplazamiento erróneos. La planta realmente necesitaba un sistema que pudiera no sólo detectar los errores relativos a la herramienta, sino también detenerlos. En pocas palabras, la planta necesitaba un sistema que garantizara siempre que las herramientas correctas con el correcto desplazamiento fueran cargadas para las operaciones de mecanizado correctas.

Un equipo en San Louis, que incluyó ingenieros, programadores y maquinistas, empezó a reunirse regularmente para trabajar en la búsqueda de un sistema que pudiera cumplir precisamente con esto.

La solución, al final, además de preajustadores, requirió el uso de hardware, software y nuevos procedimientos dentro de una estrategia de enclavamientos. Algunos elementos del nuevo sistema se detallan abajo.

En general, uno de los aspectos más llamativos del sistema como opera hoy, es la forma en que captura y corrige variables que en muchas plantas ni siquiera se reconocen como variables. Los errores humanos ocultos en las herramientas se cometen al ajustar o cargar la máquina, lo que afecta la precisión de las piezas mecanizadas todos los días. Con frecuencia, las variaciones son simplemente consideradas como parte de la imprecisión implícita de la planta. El peligro de estas variaciones puede magnificarse en GNK, debido al tamaño y costo de sus piezas, pero un sistema de manejo de herramientas que incorpora al menos algunos de los elementos mencionados abajo podría beneficiar potencialmente a cualquier planta de mecanizado para producción.

En efecto, un manejo de herramientas efectivo comienza un poco antes del preajuste de la herramienta que GNK mencionaba inicialmente como importante. Este empieza en el departamento de ingeniería, como el primer lugar en donde las herramientas son especificadas.

Sin embargo, para describir este sistema es útil empezar por el final, buscando primero el momento en que el herramental ensamblado llega completo y listo para usar en la máquina.

Adaptando el herramental
Una máquina de pórtico de husillo múltiple implica una exigencia particularmente grande sobre su herramental y requiere que los tres husillos tengan herramientas idénticas.

En los procesos típicos de fresado, que únicamente involucran un husillo, las dimensiones de la herramienta pueden variar libremente. Los desplazamientos permiten que el husillo único de la máquina contabilice las dimensiones de la herramienta, pase lo que pase. Esto no ocurre en una máquina de tres husillos. Para trabajar tres piezas idénticas, las tres herramientas deben tener las mismas dimensiones con una estrecha banda de consistencia. Como resultado, el herramental para las máquinas de tres husillos se ajusta con dimensiones particulares de separación.

La complejidad va, incluso, más allá de esto, ya que una herramienta puede tener diferentes dimensiones durante su vida útil. Para una fresa, los reafilados afectan el diámetro. GNK manejaba esta variable corriendo distintos programas NC para ajustarse a los incrementos por reafilado de la herramienta. Los diversos programas eran particularmente importantes para el mecanizado de cinco ejes donde, debido a la influencia de los ángulos y la trigonometría, los cambios en la dimensión de la herramienta pueden tener efectos complejos en la ruta de la herramienta. Para usar estos programas, basados en diferentes reafilados, las herramientas eran rebajadas hasta alcanzar los incrementos predeterminados por reafilado del programa, sin importar si las herramientas requerían tal afilado o no.

Una variable final es el tiempo. Las tres herramientas necesitan, como mínimo, una suficiente vida útil remanente para durar juntas durante el corte. Las herramientas tienen, por lo tanto, que coincidir no sólo en sus dimensiones sino también en su duración.

Así, el rango de fuentes potenciales de error es más grande. Para cada corte particular, es necesario asegurarse de emplear un juego de herramientas con vida útil suficiente, usando un programa escrito para el estado de reafilado de dichas herramientas. Los mejores maquinistas manejan bien estas variables.

Pero el sistema que se ha instalado ahora es mejor. Protege automáticamente contra todos los errores potenciales y lo hace con velocidad y efectividad iguales para cualquier operario, sin importar si un empleado recientemente contratado o un maquinista experimentado va a estar al frente de la máquina.

Etiquetas de datos
La herramienta que llega a la máquina ahora trae sus datos propios. Cada ensamble de herramienta incluye una etiqueta para almacenamiento de algunos datos electrónicos en el portaherramientas o herramienta de un sistema de identificación suministrado por Balluff. Cuando se monta un nuevo juego de herramientas en los tres husillos, el operario tan sólo pasa cada una de las etiquetas en un pequeño escáner para permitirle a la máquina CNC confirmar que cada herramienta es adecuada para el trabajo y que, además, coincide con las otras dos herramientas en el juego.

Parte del trabajo de reconstrucción de las máquinas pórtico incluyó instalar CNC idénticos en cada una de ellas. Estas actualizaciones del control numérico fueron llevadas a cabo por KRC Machine Tools Services. Los nuevos controles corren diversas herramientas de software, personalizadas por GKN, una de las cuales es una pantalla gráfica que, de inmediato, hace evidentes para el operario los datos de escaneo de la herramienta. Sólo cuando esta pantalla muestra luces verdes en los tres husillos, el programa está listo para proceder.

Programas que se mantienen actualizados
El uso de diferentes programas NC para diversos incrementos por reafilado ya no es necesario, gracias al software desarrollado por Numerical Control Software Solutions. Este software NCTC para compensación de herramienta por control numérico toma el programa de mecanizado de cinco ejes en su estado posproceso y define separaciones adecuadas en el código para las dimensiones reales de la herramienta. La lógica en el software explora los movimientos existentes del archivo generado para determinar cada movimiento. Las separaciones leen dicha decisión y usan así la herramienta real, reafilada, de tamaño más pequeño.

Justo después que el juego de herramientas es montado en la máquina, GNK aplica este software para separar sólo el segmento de código asociado con este número particular de herramienta. El código afectado, entonces, es borrado tan pronto como se ejecuta el corte. De esta forma, cada juego particular de herramientas obtiene un movimiento único, creado exclusivamente para esas herramientas y para ese momento particular en el tiempo.

Este novedoso software es uno de los aspectos que parecen mágicos en el nuevo sistema de GKN. Los algoritmos disponibles para tomar la “decisión” del código posprocesado requieren un tiempo de desarrollo considerable, pero el resultado de este trabajo constituye un software capaz de cambiar automática y precisamente el movimiento de la herramienta cuando se necesita. Un simple ejemplo es modificar un giro de 90 grados para mantener un radio determinado cuando la herramienta no tiene más radio. Si el diámetro de la herramienta es muy pequeño, el software NCTC duplica el radio nominal de la esquina de la herramienta, para obtener por llenado del radio la separación y producir así un movimiento de la herramienta que sigue una curva en lugar de un giro en ángulo recto. En mecanizado de cinco ejes, la trigonometría resultante de las variaciones en el diámetro de la herramienta puede requerir que se apliquen separaciones con complejidad similar, de nuevo con el objetivo de mantener los mismos resultados precisos de mecanizado que se hubieran obtenido con la herramienta en su tamaño original.

La habilidad de cuantificar el estado de reafilado de la herramienta de esta forma elimina la confusión entre los diferentes programas usados antes en la planta. Esto también ahorra costos considerables en herramental. Las herramientas de corte aún se reafilan por incrementos, pero únicamente para generar juegos de herramientas reafiladas. Ya no se requieren herramientas rebajadas con incrementos superiores a 0.002”, 0.04” y así sucesivamente, incrementos que una vez caracterizaron los diferentes programas de control numérico. Como resultado, muchas de las herramientas usadas normalmente en los pórticos presentan ahora una vida útil muchísimo mayor.

Preajuste
Los nuevos preajustadores Zoller de la planta se usan en el almacén de herramientas de las instalaciones de GKN. Antes de enviar cualquier ensamble de herramental a la planta, este es rápidamente inspeccionado con una rutina automática creada para el número de herramienta específico. Una herramienta lleva sus datos de medición escritos en la etiqueta de datos, pero sólo si la herramienta pasa la inspección.

Los ensambles de herramientas pueden reprobar esta inspección por diversas razones, pero una de las sorpresas de implementar el sistema ha sido el encontrar que, con frecuencia, fallan las herramientas nuevas debido a los errores en el proceso de fabricación. Un radio filo de corte erróneo es la razón más común para este tipo de falla, pero otros errores geométricos han sido descubiertos. En un caso extremo, un escariador de cuerpo sólido, recién sacado del empaque, tenía un error de redondez de 0.015”.

El porcentaje de este tipo de herramientas defectuosas es pequeño, pero con las máquinas pórtico, que tienen entre 400 y 500 ajustes de herramienta por día, incluso un pequeño porcentaje de herramientas puede significar un número considerable. Recolectar las herramientas rechazadas para devolverlas a los proveedores forma también parte de la rutina del nuevo proceso.

Eliminación del error
Teniendo ya todos los problemas potenciales detectados por los preajustadores, se descubren y evitan aún más problemas potenciales antes de que la herramienta esté ensamblada. Una base de datos integrada unifica los datos de las herramientas en toda la planta, y el departamento de ingeniería de la planta usa ahora los datos, de forma que se ha hecho común el trabajo con piezas libres de defectos. En efecto, incluso las piezas que se procesan por primera vez tienden a salir sin defectos.

El software de TDM Systems captura toda la información del herramental de la planta. Sobre este software, la planta ha desarrollado diversas aplicaciones que simplifican tanto la programación como la seguridad de los procesos de mecanizado.

Por ejemplo, una aplicación de búsqueda personalizada les permite a los programadores buscar entre los 1600 ensambles de herramienta de los que dispone la planta, por tipo de herramienta, tipo de máquina, material de trabajo, geometría de la herramienta y otros parámetros. Esto garantiza que se pueda descubrir rápidamente la herramienta estándar correcta para usar en cualquier trabajo. El sistema impide la ineficiencia de especificar una nueva herramienta para un corte cuando ya existe una que ha hecho este trabajo en la planta. En efecto, sólo algunos ingenieros pueden introducir nuevas herramientas estándar al sistema como funciona hoy, lo cual significa que uno de ellos esté convencido sobre la necesidad de una nueva herramienta antes de que esta sea adicionada.

Otra aplicación desarrollada por GKN dibuja los datos completos del ensamble de herramienta en el software de planta CAD/CAM, de forma que herramientas y portaherramientas pueden modelarse juntos, en lugar de modelar sólo las herramientas. Esto permite una verificación inicial confiable del programa antes de ser actualizado para su verificación en el software Vericut, de CGTech. En Vericut, el programa NC se corre no sólo con el valor nominal de las herramientas sino también con el valor de reafilado más extremo. Si dicho valor extremo de reafilado produce interferencia, entonces se modifica el diámetro mínimo de corte en el sistema, de manera que la herramienta nunca puede iniciar su trabajo con un tamaño por debajo de este diámetro.

Libre de defectos
El resultado de todos estos nuevos controles sobre el herramental lo ilustra la pieza de un mamparo para avión. Esta pieza existente volvió nueva cuando la planta obtuvo el permiso del cliente para rediseñar el proceso de mecanizado. Mejorar el proceso establecido tiempo atrás permitió a GKN realizar operaciones de desbaste y acabado de la pieza en menos tiempo del que requería sólo el proceso de acabado. La nueva pieza programada se fabricó con cero defectos desde la primera vez que se probó el proceso.

El mecanizado con cero defectos puede ser suficientemente desafiante en producción total. Fabricar una pieza grande y compleja con cero defectos desde la primera vez es algo sobresaliente, por decir lo menos. Este logro indica algo sobre la naturaleza de todos estos defectos menores que han sido por mucho tiempo aceptados y corregidos como parte rutinaria del proceso.

Específicamente, la habilidad de trabajar sin defectos con el nuevo sistema de manejo de herramientas implementado es una muestra de cómo muchas de estas fuentes de variación han sido relacionadas directamente con el herramental.

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