Las máquinas torno/fresa con eje B ocupan su lugar

En la actualidad, muchos talleres han empezado a evaluar la compra de máquinas multifuncionales torno/fresa, ponderando factores como costo y ganancia en capacidad y productividad. Para ello deben considerar el tipo de máquina torno/fresa que más se acomoda a sus necesidades individuales y a las piezas que producen. Dentro de la categoría de las máquinas torno/fresa están las máquinas con eje-B, de tornear, que incluye funciones de fresado de cinco ejes. La adquisición de una máquina con eje-B requiere una inversión significativa en dinero y en tiempo. Además, tiene un precio 20% mayor, comparada con las máquinas torno/fresa de similar capacidad, pero sin las funciones de eje-B. Sin embargo, para los talleres que produzcan piezas que puedan beneficiarse con el mecanizado del eje-B, las ganancias en productividad brindadas por estas máquinas justifican con creces el gasto adicional.

Los talleres que evalúan la compra de una máquina con eje-B deben hacerse estas preguntas clave: ¿qué le adiciona la capacidad de eje-B a una máquina-herramienta torno/fresa?, ¿qué clase de sistema CAM se necesita para utilizar con éxito esta capacidad? Las respuestas se encuentran al analizar las características físicas de las máquinas con eje-B, al evaluar la configuración de la máquina y el tiempo de alistamiento, y al determinar el nivel de integración del ambiente de programación.

Fundamentos del eje B
Methods Machine Tools Inc. es un importador de máquinas-herramienta y distribuidor exclusivo en Estados Unidos de las máquinas-herramienta Nakamura Tome. Frecuentemente, esta empresa discute con sus potenciales clientes los fundamentos de las máquinas con eje-B, para estar seguros de que conozcan completamente sus capacidades. Methods proporciona esta definición estándar: la máquina con eje-B combina las capacidades de torneado de una máquina de tornear horizontal/vertical con las capacidades de fresado y mecanizado de un centro de mecanizado de cinco ejes.

Como las máquinas tradicionales torno/fresa, las máquinas-herramienta con eje-B proporcionan control sobre los ejes Z-X (torneado) y C (rotativo de fresado). El cabezal eje-B, utilizado como un husillo de fresar o como un portaherramientas de torneado/alesado, le permite a la máquina completar todo el torneado y el fresado en un solo montaje. Estas máquinas-herramienta también le dan al usuario control sobre el eje Y para operaciones de fresado fuera de centro. Sin embargo, la capacidad del eje-B hace diferentes a estas máquinas. El eje-B es definido como una rotación alrededor del eje Y, y este posicionamiento de quinto eje hace posibles los cortes con ángulos compuestos. La capacidad del eje-B le da a la máquina soporte total para fresado indexado de cinco ejes y fresado de forma libre simultánea 3D/cinco ejes. La máquina de eje-B es, literalmente, una máquina que hace el trabajo de dos, ya que soporta el rango completo de operaciones posibles de torneado y fresado, con la ventaja de hacerlo en un solo montaje.

La pieza completa en un solo montaje
Las máquinas con eje-B incrementan la exactitud de las piezas porque mantienen unas tolerancias muy ajustadas entre los rasgos torneados y fresados. Por ejemplo, cuando el cuerpo de una herramienta de corte es mecanizado en una máquina con eje-B, resulta más fácil mantener las tolerancias geométricas entre las operaciones de fresado y torneado. Como en las máquinas tradicionales torno/fresa, al utilizar un solo montaje se eliminan los errores que pueden presentarse al pasar una pieza de una máquina de tornear a una de fresar. Para piezas que requieren las operaciones de torneado y fresado multiejes, que sólo las máquinas con eje-B están equipadas para realizar, el mantener las estrechas tolerancias entre los múltiples datos de referencia es importante, especialmente para lograr las tolerancias geométricas entre los diferentes rasgos.

Cuando están equipadas con husillos duales, el rango de mecanizado expandido de las máquinas con eje-B les permite realizar operaciones de torneado y fresado en el frente y en la parte posterior de la pieza. Cada husillo (principal y secundario), que actúa como un soporte de pieza, permite cortes simultáneos de cinco ejes en el frente y en la parte posterior de la pieza, completándola en un solo montaje. Un trabajo que antes requería cuatro montajes (torneado frontal, torneado posterior, fresado frontal y fresado posterior) puede ser reducido a un solo montaje en una máquina con capacidad de eje-B.

Una máquina multihusillo de eje-B, equipada con una torreta baja, aumenta aún más la capacidad de producción de piezas en un solo montaje. Figura 1. En esta configuración, el cabezal de eje-B opera al mismo tiempo otras herramientas de corte basadas en la torreta, que están siendo utilizadas en el husillo opuesto, permitiendo mecanizado simultáneo sincronizado. En otras palabras, el corte ocurre en el frente y en la parte posterior de la pieza al mismo tiempo.

Aspecto de las piezas de eje-B
Las piezas cilíndricas con rasgos fresados en ángulos compuestos o en caras múltiples son sorprendentemente comunes. Los talleres que prestan servicios a industrias de equipo pesado y de servicios petroleros y que producen piezas que demandan contorneados y terminados de cinco ejes, a menudo utilizan máquinas con eje-B para fabricar ejes con estrías, ranuras y caras en ángulos compuestos. Otros talleres utilizan las máquinas eje-B para fabricar piezas intrincadas y de múltiples caras, como cuerpos de herramientas y portaherramientas (Figura 2).

El tamaño de las piezas eje-B puede variar considerablemente. Piezas tan pequeñas como un engranaje de 0,04" de diámetro o tan grandes como una fundición metálica de 20" de diámetro pueden beneficiarse con el mecanizado de eje-B.

Para acomodarse a las diferentes necesidades de mecanizado de sus clientes, Methods Machine Tools ofrece dos modelos de máquinas-herramienta de Nakamura Tome, equipadas con eje-B. El modelo STW-40, con cambiador automático estándar de 40 estaciones, está diseñado para manejar piezas grandes y pesadas, como fundiciones y forjas, y puede acomodar piezas de trabajo hasta de 17" de diámetro. Sin embargo, en respuesta a las demandas de los clientes, Methods ahora ofrece un modelo más pequeño de máquina con eje-B, la NTJ (con torreta de eje-B). Este modelo tiene aproximadamente la mitad del peso y tamaño de la STW-40, con la ventaja de que ocupa menor espacio en planta y es más fácil de mantener y de operar que su contraparte más grande. La NTJ es apropiada para el mecanizado de piezas de eje-B más pequeñas, como las herramientas de artróscopos, que no superan las 8" de diámetro.

Ambos modelos están equipados con funciones de alimentador de barras, que les permiten a los talleres alimentar la máquina-herramienta con barras de stock en una secuencia continua, y luego realizar el corte de eje-B, si es necesario, en rasgos de piezas con ángulos compuestos. Por ejemplo, un taller que produzca grandes volúmenes de cuerpos de relojes puede utilizar este tipo de máquinas para mecanizado no interrumpido. Al evaluar las piezas y las opciones de alimentación de barras, los talleres deben considerar el tamaño de las barras de stock. Aunque una máquina más grande equipada con eje-B y con alimentador de barras puede manipular barras de stock más grandes, no siempre es práctico alimentar barras de esta magnitud en la máquina-herramienta. Como las barras tienden a ser largas (no resulta extraña una longitud de 12 pies), es posible que sean muy pesadas para que una persona o un robot las levante. Las barras grandes también son difíciles de cortar cuando toma tiempo retirar los pedazos.

Adicionalmente, los talleres deben considerar piezas 'inesperadas', que no necesariamente tienen rasgos de eje-B (rasgos con ángulos compuestos y caras múltiples) pero que sí requieren trabajos de fresado y torneado. Por ejemplo, una compañía puede mecanizar un subconjunto de componentes hidráulicos que requieran mecanizado con eje-B, pero encuentra que la mayor parte de sus trabajos demanda operaciones de fresado tradicional y torneado. Para este tipo de taller, adquirir una máquina con eje-B puede permitirle satisfacer el rango completo de necesidades de torneado/fresado.

Programación más fácil
Cuando un taller ha decidido que una máquina con eje-B está acorde con sus necesidades y con las piezas que produce, su primera preocupación es asegurar que los programadores CNC tengan las herramientas de CAM capaces de programar estas máquinas. Hay paquetes de CAM eficientes, que les permiten a los talleres obtener todas las ventajas de las capacidades de las máquinas con eje-B y proporcionan herramientas que crean, optimizan y verifican programas CNC de manera eficiente. Observar una máquina con eje-B en acción (particularmente la primera vez), puede ser intimidante por su configuración compleja, el mecanizado simultáneo y los movimientos multiejes no perpendiculares de la herramienta. Por lo tanto, es esencial que un sistema CAM les dé a los programadores un control total sobre todos los movimientos de la máquina. Dicho control minimiza el reto de programación de estas complejas máquinas y la disponibilidad de un software como este puede impulsar a más talleres a considerar las ventajas de productividad de este tipo de equipos.

Cuando el desarrollador de software CAM, DP Technology, empezó a estudiar las consideraciones de programación para piezas de trabajo producidas con máquinas de eje-B, reconoció que un sistema que utilizara un ambiente de programación fresa/torno totalmente integrado, simplificaría la programación y proporcionaría a los talleres la flexibilidad necesaria para programar piezas de eje-B de una manera eficiente y exacta. En esencia, un ambiente integrado de programación es aquel en el que resulta innecesario hacer la porción de programación de torneado en una aplicación de software y la porción de fresado en otra, para luego tratar de coordinarlas eficientemente.

Por esta razón, la compañía desarrolló la línea de productos Esprit SolidMill Turn. Presentado en marzo de 2003, este software ofrece un juego de ciclos de mecanizado para fresado de dos a cinco ejes, que incluye mecanizado de tres ejes y simultáneamente mecanizado multisuperficies/sólido 3D de cinco ejes, lo mismo que el soporte para ciclos de torneado como fresado de caras, alesado, ranurado y roscado. El software les proporciona a los programadores la flexibilidad de utilizar ciclos de fresado y torneado en cualquier combinación, en una sola sesión y en una misma pieza de trabajo en la parte frontal de la pieza, con husillo primario y secundario, y con cabezal superior de eje-B o con torreta baja.

Como parte de este software, una herramienta de programación especialmente importante para la programación de máquinas con eje-B son los planos de trabajo (work planes). Cada rasgo de la pieza de trabajo es asignado automáticamente al plano de trabajo más apropiado, simplificando así la programación para el mecanizado de piezas con eje-B. Los planos de trabajo que definen la orientación de los ejes C y B, hacen fácil el taladrado y fresado de rasgos con ángulos compuestos (rasgos de eje-B, Figura 3). Por ejemplo, en lugar de programar un movimiento simultáneo de los ejes X y Z para taladrar un hueco en ángulo, el programador puede utilizar planos de trabajo para definir los ángulos de los ejes C y B, rotando automáticamente el sistema coordenado Z-X, con lo que se requiere del programador tan sólo la especificación de un movimiento en Z. En la operación, la máquina se moverá en los ejes X y Y para taladrar el hueco. Los planos de trabajo le permiten al usuario establecer 'sistemas locales de coordenadas' que simplifican el código G utilizado para producir un rasgo dado, haciendo que el operador comprenda más fácilmente.

Las herramientas de software que sincronizan y optimizan las operaciones de mecanizado mediante una interfaz simple son muy útiles para organizar los programas torno/fresa. DP Technology cree que una sincronización efectiva de la herramienta integra totalmente el mecanizado, y ofrece no sólo el despliegue de un listado combinado de las operaciones de torneado y fresado con sus ciclos de tiempo asociados sino que también adapta esta vista para acoplarse al número de torretas, cabezales y husillos soportados por la máquina. Logísticamente, esto simplifica la programación pues el usuario sólo necesita ir a una localización para establecer la forma en que la pieza es mecanizada. La habilidad de mover, copiar, editar y sincronizar operaciones con una sola interfaz también ayuda a que la optimización del programa de pieza sea más fácil. Los estudios que calculan automáticamente el ciclo de tiempo, utilizados en combinación con un modelamiento total y con la verificación de herramientas, son ayudas extremadamente valiosas en el mecanizado con eje-B, sobre todo cuando la rotura de herramientas es un factor de preocupación constante para el taller. Los talleres que utilizan máquinas con eje-B verán la utilidad de estar en capacidad de programar una serie de operaciones de fresado/torneado, de optimizar ciclos de tiempo y, luego, de simular estas operaciones en cualquier punto del proceso de programación para verificar que no haya colisión de herramientas.

Para verificar efectivamente programas CNC es útil que la simulación imite realmente la operación de la máquina. Por ejemplo, el Machine Setup, del Esprit, proporciona una interfaz para que los talleres definan la configuración y el número de torretas y husillos de sus máquinas específicas a fin de asegurar una simulación precisa. Además, para proporcionar una programación efectiva del mecanizado con eje-B, este sistema CAM muestra la pieza completa en pantalla junto con los elementos móviles claves de la máquina-herramienta (husillos, torretas, cabezales de eje-B, herramientas), no sólo secciones de esta, para protegerla contra choques potenciales, en especial durante el mecanizado sincronizado simultáneo o en la transferencia de la pieza del husillo principal al subhusillo (Figura 4). Una vez generada y verificada la trayectoria de la herramienta, el posprocesador produce el programa en código G para todas las operaciones de fresado y torneado. Esta es una ventaja sobre el software que requiere que el usuario posprocese las trayectorias de torneado y fresado por separado y luego las combine en un solo programa, enviado posteriormente al taller.

Socios en la productividad
En años recientes, los fabricantes de máquinas-herramienta y los desarrolladores de software han empezado a generar relaciones orientadas a satisfacer las necesidades de los talleres que utilizan máquinas con eje-B. El objetivo es ganar una aceptación más amplia de estas máquinas para aplicaciones apropiadas, venciendo la resistencia de los usuarios basada en la percepción de que estas máquinas son difíciles de programar. Por ejemplo, Methods Machine Tools ha trabajado exitosamente con el equipo de aplicación el sistema CAM Esprit, en una alianza que ha producido una solución efectiva de programación para sus clientes de eje-B.

Esta cooperación entre los distribuidores de máquinas-herramienta y los desarrolladores de software proporciona beneficios significativos para los talleres que compran máquinas con eje-B, porque la solución ofrecida ahorra una cantidad significativa de tiempo en alistamiento del software, y les permite obtener beneficios inmediatos con la productividad que ofrecen estas máquinas. Así, los clientes aseguran tener un posprocesador efectivo, ya que los dos proveedores han desarrollado juntos el software y lo han probado en piezas de muestra de eje-B. Además, la configuración particular de las máquinas ya ha sido definida en el alistamiento del sistema CAM de la máquina y está disponible ahora mismo.

Convincente
El potencial de una máquina con eje-B para aumentar la productividad y generar piezas de facetas múltiples en un solo montaje, es una razón que convence a los talleres para invertir tiempo y dinero en este tipo de máquinas-herramienta para tornear/fresar. Los talleres que no quieren verse enfrentados al reto de la programación no tienen razón para hacerlo. La unión entre los distribuidores con conocimientos de máquinas-herramienta y los que tienen experiencia en CAM asegura que una nueva máquina con eje-B alcanzará todo su potencial de producción, por contar con las capacidades necesarias de programación para maximizar la productividad.

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