¡No toque la herramienta!

La herramienta de corte constituye el efecto final de una larga cadena de parámetros de proceso. El archivo CAD representa el diseño de la pieza de trabajo. El archivo CAM determina la trayectoria de la herramienta. La exactitud y velocidad del diseño y construcción de la máquina-herramienta, lo mismo que la estabilidad del sistema de sujeción de herramientas, deben actuar juntos para sacar la primera viruta.

Pero ninguno de ellos puede producir resultados satisfactorios si la herramienta de corte utilizada es más larga, más corta o tiene un diámetro diferente del programado. Además, las dimensiones, determinadas mediante una galga estática de medida, pueden ser afectadas por la dinámica creada cuando el cortador entra en movimiento.

Una solución parecería ser la medición de la herramienta mientras está rotando en el husillo dentro de la zona de corte, tan a menudo como lo exijan las características de desgaste. Un sistema fabricado por Blum LMT, Inc. (Fort Michell, Kentucky, E.U.), realiza esta medición con un láser para determinar la longitud del cortador, el diámetro y el desgaste del filo, lo mismo que para detectar herramientas no existentes o partidas.

El láser es clave
Los láseres ofrecen dos ventajas diferentes para la medición de herramientas. El rayo, básicamente, es una galga única para todos los tamaños y, por ser un sistema de medida sin contacto, resulta virtualmente impermeable a la contaminación.

El hardware del sistema de medición por láser de Blum es relativamente simple y discreto. Diseñado para operar en los ambientes rudos de la zona de corte de las máquinas-herramienta, el escáner en forma de U que sostiene la unidad de láser es el único componente visible.

Cuando el rayo láser es operado, pasa de un extremo de la U hasta un receptor en el otro extremo. Como está diseñado para operar en el área de corte de la máquina-herramienta, un transportador operado neumáticamente y un chorro de aire protegen la óptica de la contaminación.

En operación, el láser actúa como un rayo fotoeléctrico de alta precisión que se activa al romperse. Esencialmente, es una versión de alta precisión del rayo fotoeléctrico utilizado en las puertas de los garajes. Cuando el rayo es cortado, la puerta se detiene y se devuelve.

De la misma manera, cuando un cortador interrumpe el rayo del escáner, una señal de salida es enviada al CNC o al PLC de la máquina. Un software residente compara las coordenadas del punto de contacto del rayo con valores conocidos archivados en las tablas de datos de herramientas del control. La activación ocurre cuando el cortador tapa 70% del rayo láser.

El escáner puede ser montado directamente en la zona de corte, en la mesa de trabajo, o en cualquier otro lugar. La orientación no constituye un problema, y donde el espacio es limitado, el escáner puede montarse verticalmente o formando un ángulo.

Un láser de diodo genera el rayo utilizado para medir las herramientas de corte. El rayo láser es una luz roja visible, con una longitud de onda de 670 nanómetros. La potencia de salida es inferior a un vatio. Por ser un láser clase 2, su potencia resulta menor que la de un señalador láser. No requiere carteles de precaución ni protectores de ojos.

La unidad de escáner está conectada por un cable umbilical al CNC de la máquina-herramienta o puede enviar una señal de parada a un PLC. Se han creado interfaces exitosas para las unidades más populares de CNC. Blum desarrolla macros de programación para realizar la mayoría de las rutinas de verificación con un comando en código G o M.

¿Por qué durante el proceso dinámico?
La mayoría de los reglajes son hechos fuera de línea, en una galga de medición de herramientas. Las dimensiones son verificadas y marcadas como correctas. El cortador se carga manualmente en la máquina y sus datos dimensionales son leídos por el control mediante un código de barras o entradas.

El primer cortador es posicionado cerca de la pieza de trabajo y un bloque de medida establece la desviación de la herramienta respecto a la pieza de trabajo. Este sistema trabaja bien, pero está basado en una serie de medidas estáticas.

Lo que no se conoce en el reglaje tradicional de herramientas es cómo el portaherramientas, la barra de soporte y el husillo se van a alinear entre herramienta y herramienta. Es raro obtener una repetibilidad perfecta entre una herramienta de corte y el husillo.

Por esto, las mediciones dinámicas dentro del proceso para cada herramienta mientras gira en el husillo dentro de la zona de corte, ha ganado aceptación en muchos talleres. Un ejemplo es la empresa General Tools Company (Cincinnati, Ohio, E.U.). Este taller de primera categoría presta servicios a la industria aerospacial y a las industrias de generación de potencia, además de un fabricante de máquinas especiales.

Como en muchos talleres de Estados Unidos, General Tools ha sentido la disminución de personal calificado para el trabajo de los metales. Por ello, buscan obtener más trabajo en el taller utilizando la fuerza de trabajo existente.

General Tools considera que un sistema de monitoreo y medida de herramientas, como el de Blum, sería muy útil para obtener más productividad mediante más operaciones no-atendidas o ligeramente atendidas. "En la reducción de alistamientos, por ejemplo –dice el ingeniero industrial de la compañía, Gerg Kramer– este sistema láser es mucho más rápido en el alistamiento de un cortador para un trabajo específico que los tradicionales bloques de galgas y ciclos de contacto".

La compañía tiene el sistema láser en su nuevo centro de mecanizado de cinco ejes, un Deckel Maho 200P. Es una máquina-herramienta grande y versátil, con un cono estándar # 50 y un husillo de 8.000 rpm, que también puede trabajar con un husillo motorizado HSK 32 de 42.000 rpm, intercambiable automáticamente.

"Vemos esta máquina haciendo una variedad de piezas de trabajo, utilizando técnicas de alta velocidad y convencionales –anota Kramer–. Algunos de nuestros trabajos de mayor reto y con dimensiones más críticas se hacen en esta máquina. Mientras que con el alistamiento convencional estático de herramientas se hace muy engorrosa la manipulación de los cortadores, el escáner láser nos ayuda a obtener lecturas más consistentes entre uno y otro operador, ya que se hace automáticamente".

Las medidas de alta exactitud y repetibilidad son vitales en los trabajos de precisión que General Tools contrata. Pero, ¿qué puede hacer realmente un sistema láser de medida de herramientas por un taller?

¿Qué puede hacer?
El uso del dispositivo de medición láser proporciona una herramienta flexible para determinar las dimensiones del cortador. Puede medir herramientas concéntricas, como brocas, o no concéntricas, como fresas frontales y de cara. También puede medir un radio de borde de corte simple como el de las fresas frontales tipo bola y verificar su desgaste periódicamente.

El escáner láser se adapta a diámetros muy pequeños. Cortadores con diámetros menores de 0,012" (0,3 mm) pueden ser medidos con una exactitud de micras.

Las herramientas más grandes también pueden ser medidas exactamente sin hacer ningún cambio en el hardware ni en el software. Básicamente, un escáner se acomoda a todos los cortadores.

Antes de que el láser pueda ser usado para medir debe ser calibrado. Este proceso es necesario para determinar la posición precisa de obturación para la luz del rayo láser y debe ser establecida para cada eje.

La calibración del escáner láser es un procedimiento relativamente simple. Se usa un pin cilíndrico de referencia con dos diámetros y un radio conocidos (ver figura 1). Las dimensiones conocidas de longitud, altura y radio son alimentadas a una tabla de calibración en el control de la máquina.

Con el paso del pin de referencia, montado sobre el husillo a través del rayo, se establecen las medidas en el espacio. Las desviaciones de las medidas conocidas son tomadas como las desviaciones de los ejes. Con estos valores en la tabla de herramientas, cualquier cortador puede ser medido exactamente.

Por ejemplo, herramientas de corte centradas, como las brocas, son medidas rápidamente en su longitud, con dos pasadas a través del rayo en el eje Z. Primero, la broca corta el rayo en desplazamiento rápido con el husillo que rota a la velocidad de operación.

Esta operación mide el movimiento hacia atrás de un eje, seguida por un segundo movimiento fino en el eje Z, hasta el sitio en que la punta del cortador rompe el rayo. Así se establece la longitud real del cortador en el husillo, en unos pocos segundos.

El resultado de la medición es escrito junto con el número del cortador en la tabla de desviaciones del CNC. La rutina de medición es una macro automática integrada en el software de medición.

Herramientas de corte como las fresas frontales, fresas de cara, ruedas de fresar, entre otras, pueden ser medidas a la velocidad del husillo mediante la galga láser del escáner (figura 2). La longitud de la herramienta es medida en primer lugar, moviendo el cortador periféricamente dentro del rayo láser con un movimiento del eje Z. Luego se calcula el diámetro moviendo un lado del cortador a través del rayo.

Como la herramienta está rotando y el láser es accionado por el primer borde de corte que rompe el rayo, puede ser identificada cualquier desalineación de los insertos o cualquier filo alto. Con estos datos, unas rutinas en el software pueden calcular el descentramiento del husillo y cada filo de corte es monitoreado para revisar si está dentro de una tolerancia total de descentramiento. Se alcanzan exactitudes de ±1 micra en la medición utilizando estas rutinas en una operación que dura pocos segundos.

Cuando se mide el diámetro de corte, el escáner del láser simplemente detecta el primer borde que rompe el rayo. Con el cortador girando, este es el filo de corte más largo.

Para monitorear el descentramiento radial que puede ser causado por errores en la fijación de la herramienta y desviaciones del círculo de desplazamiento, o para monitorear la tolerancia radial entre el filo de corte máximo y el mínimo, el cortador se desplaza dentro del rayo a una distancia igual a la tolerancia. Una vez en el rayo, el cortador es movido a través de este para obtener lo que, en efecto, es un recorrido de escaneo. Si el rayo permanece roto durante esta rutina, la herramienta está dentro de la tolerancia de descentramiento radial.

Los cortadores con bordes redondeados o con formas, como las fresas de nariz de bola o herramientas cónicas, pueden ser medidas con el escáner de láser (figura 3). Esto se realiza estableciendo el borde de corte externo más largo permisible, la línea exterior del filo de corte, el punto inicial y la dirección del contorno, utilizando parámetros en el software de medición.

La detección del rompimiento de herramientas es una de las principales ventajas de un sistema de monitoreo y medición de herramientas. La fina resolución de medida del láser hace posible determinar la condición de los filos individuales de corte. El desgaste, descascarado o fractura de cada diente de corte puede ser determinado y revisado rápidamente, tan a menudo como sea necesario.

También revisa las máquinas-herramienta
Todas las máquinas-herramienta tienen, en cierta medida, desplazamientos ocasionados por la temperatura. Parte del trabajo del diseñador de máquinas-herramienta es entender y anticipar este hecho al reunir los elementos que componen la máquina. En la mayoría de las operaciones de mecanizado, los efectos dimensionales del crecimiento térmico son graduales y predecibles en el tiempo. El sistema láser para medición de herramientas puede usarse como una galga térmica para la máquina -herramienta.

A fin de hacer esto, un taller utiliza la herramienta de calibración láser para revisar el crecimiento de cada eje de la máquina. La herramienta tiene las dimensiones conocidas de los ejes X, Y y Z. Con el tiempo, la comparación de varias medidas láser puede ayudar a detectar desplazamientos de los ejes y a compensarlos.

¿Es para usted?
Para aplicaciones donde el monitoreo dinámico de la herramienta sea un beneficio –las aplicaciones de alta velocidad y las operaciones no atendidas o ligeramente atendidas son un ejemplo– una unidad de medición de láser sin contacto puede ayudar a la productividad y calidad. Los recubrimientos de herramientas delicados que pueden ser influidos por las galgas de contacto y procesos que requieran consistencia en las medidas individuales, son unas pocas de las variables que pueden determinarse mediante sistemas de medición láser como el de Blum.

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