El costo real de la desviación de las herramientas

¿Qué constituye una "buena desviación" para una herramienta de corte en un centro de mecanizado?

Muchos talleres piensan en la respuesta a esta pregunta en función de un simple número. Cuando el proveedor de portaherramientas de precisión Big Kaiser, ubicado en Elk Grove Village, Illinois, E.U., investigó informalmente las instalaciones metalmecánicas para preguntar sobre lo que consideraban una desviación aceptable, el consenso parecía estar alrededor de 0.0005 pulgadas.

Jack Burley, vicepresidente de ventas e ingeniería en Big Kaiser, está de acuerdo en que el consenso es correcto (algunas veces). Si la herramienta es de ¾" de diámetro o mayor, entonces 0.0005" puede ser, de hecho, una buena desviación. Pero afirma que aplicar este estándar a todas las herramientas en el taller puede convertirse en un error costoso. Para herramientas muy pequeñas, reducir la desviación a 0.0001" o menos, puede generar ganancias considerables en vida de la herramienta y la productividad.

Un ejemplo reciente involucró un taller que mantenía una desviación de 0.0002" para una operación de taladrado de precisión. Este taller (como la mayoría de talleres) consideraba que una desviación de 0.0002" era pequeña. Sin embargo, cambiar a un portaherramientas diseñado para sujetar con precisión, le permitió al taller reducir esta desviación a 0.00009" o 90 micropulgadas. Las fuerzas y el desgaste en la pequeña broca se distribuyeron de manera más uniforme. Como resultado, el taller fue capaz de cortar más rápido con esta herramienta, y lograr ahorros en el tiempo de ciclo de 20%. Además, la vida de la herramienta se incrementó tres veces.

Desviación descubierta
El gráfico 1 muestra los resultados de un experimento realizado por la empresa matriz de Big Kaiser, Big Daishowa Seiki. En el experimento, se probaron tres brocas en cuatro valores de desviación. Las condiciones de corte y las herramientas fueron las mismas, salvo por el material de la herramienta y la longitud. Las tres brocas incluyeron una herramienta de carburo que penetraba tres veces el diámetro, una herramienta de acero rápido que alcanzaba la misma profundidad y una herramienta de acero rápido con refrigeración interna que penetraba cinco veces el diámetro. La desviación para todas las herramientas iba desde 0.0006" hasta 80 micropulgadas.

Los hallazgos ilustraron varios puntos importantes, comenta Burley. Uno señala que la desviación correcta es relativa no sólo al tamaño de la herramienta sino también a su material. Mientras la vida de cada herramienta mejoraba a medida que la desviación se estrechaba, la broca de carburo sufría más cuando la desviación era alta.

Los resultados también mostraron qué tan significativa puede ser una cantidad 'pequeña' de desviación en una broca de 3 mm. Una desviación de 0.0006" es cercana a la figura que los talleres consideraban una buena desviación en la investigación informal. Sin embargo, reduciendo mucho más la desviación por debajo de este valor, se mejoró la vida de la herramienta de carburo casi tres veces. Incluso, la herramienta menos sensible mostró una mejora de 60% en su vida útil.

Este efecto no aplica sólo para el taladrado. Cuando se desarrollaron pruebas similares en una fresa de acabado en carburo, de diámetro pequeño y cuatro flautas, la diferencia entre 80 micropulgadas y 0.0006" de desviación significó una mejora en la vida de la herramienta de más de 30%.

Características del portaherramientas
Burley dice que para lograr estos ahorros se comienza con el husillo. La mayoría de talleres está familiarizada con la galga común usada para probar el error de desviación del husillo. La galga es, en esencia, una barra mecanizada con tolerancias extremadamente estrechas. Esta se rota lentamente en el husillo para medir la desviación estática. Es menos conocida la existencia de la desviación dinámica. Con las velocidades de operación del husillo, la desviación puede cambiar como resultado del calor, la vibración y la fuerza centrífuga. En la foto se puede ver la galga común para la evaluación de la desviación estática del husillo y una galga capaz de medir la desviación dinámica de un husillo. Si la evaluación del husillo muestra que puede mantener una desviación pequeña aceptable, entonces la clave para impartir esa baja desviación a la herramienta es el portaherramientas.

Varias características de diseño de un portaherramientas de precisión permiten lograr una concentricidad estrecha, según Burley. Esas características incluyen:

Tolerancias del cono. La precisión obtenida en el mecanizado del cono del portaherramientas, afecta la forma como el portaherramientas se ajusta en el husillo. Los portaherramientas fabricados con tolerancias de submicras y acabados superficiales de microespejo pueden lograr un contacto cono-cono superior a 96%.

Ángulo de boquilla. En un portaherramientas de boquilla típico, el ángulo de la boquilla es de 16°. Los portaherramientas que usan un ángulo de boquilla más pequeño logran valores de desviación más bajos. La imagen 3 muestra una boquilla con un ángulo de tan sólo 8°. La correspondencia por usar un portaherramientas como tal, es un rango de sujeción más pequeño. La boquilla de ángulo pequeño cubre un rango de sujeción menor de la mitad que el de la boquilla de 16°. Así, el portaherramientas para desviaciones más estrechas necesita más boquillas para cubrir el mismo rango de tamaños de vástago de la herramienta.

Tuerca de la boquilla. La tuerca que prensa la boquilla para sujetar la herramienta puede ser más que un sencillo accesorio. La sujeción hace encajar la boquilla con la superficie interna de rodamiento de la tuerca. Generalmente, existe fricción entre estas superficies, pero una tuerca de boquilla de precisión puede colocar los rodamientos de bolas entre la tuerca y la superficie de rodamiento para contrarrestar esta fricción. Reducir la fricción disminuye la fuerza de giro que, de otra forma, puede deformar la boquilla e incrementar el error de desviación.

Botón de retención. También conocido como tirador, esta parte reemplazable del portaherramientas no debería considerarse barata o desechable. Los botones de retención de mayor calidad resistirán más el desgaste y la deformación, y también se ubicarán con mayor precisión en la línea de centros del portaherramientas.

Concentricidad y costo
Determinar el costo o valor potencial de la desviación tan sólo puede involucrar un simple cálculo. La broca de carburo de 3 mm, usada para la prueba en la imagen 1, cuesta US$40. La desviación más estrecha permitió 148 agujeros, mientras que la desviación más grande permitió sólo un tercio de esa cantidad. Por eso, el costo por agujero cayó de 80 centavos de dólar a 27 centavos. Con la desviación más estrecha el taller ahorra alrededor de US$50 por cada 100 agujeros.

Incluso con HSS, los ahorros son significativos. La herramienta de HSS más corta cuesta US$15. Mejorando la desviación, se redujo el costo por agujero de 23 centavos a 10 centavos. Sin embargo, al comparar el HSS y el carburo sucede algo muy diferente. Manteniendo la desviación en 0.0004", o mejor, permite que la herramienta de carburo entregue la misma vida del HSS --a 2,8 veces la velocidad--. En otras palabras, controlar la desviación podría posibilitar la utilización de una herramienta más rápida. El ROI sería medido entonces en el tiempo de ciclo en lugar de la vida de la herramienta. Este es el potencial que se pierde en un taller que no ha considerado la desviación realmente correcta para el proceso.