Torneado duro y rectificado: La clave está en la combinación inteligente de procesos

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Torneado duro y rectificado: La clave está en la combinación inteligente de procesos

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Según un estudio del Boston Consulting Group, se pronostica un futuro cercano para los automóviles en el que a 2025, cerca de un tercio tendrá algún tipo de motorización eléctrica (ya sean híbridos, completamente eléctricos, o alguna otra variación). Para 2030 este porcentaje se incrementará al 51%. Ese año, el 49% restante de los vehículos, de los que se espera vender entre 100 y 110 millones de unidades, será una mezcla de motores de gasolina y diesel, seguramente con mejoras en sus cifras de eficiencia de combustible y emisiones de gases invernadero. Para los OEM y las empresas proveedoras esto significa que habrá una gigantesca variedad de componentes convencionales, como ejes y engranajes, así como de nuevos componentes de transmisión de potencia aún por diseñarse. Todo esto sumado a una gran presión de costos.

Grandes retos por afrontar para los autopartistas

Inmensas cantidades de producción, requerimientos de mecanizado de alta precisión y una enorme presión por reducir los costos: los requisitos de fabricación de los componentes de transmisión son exigentes y serán aún más exigentes en el futuro a medida que la industria automotriz continúe evolucionando.

Componentes como ejes y engranajes poseen propiedades mecánicas excepcionales. Deben ser dúctiles y tenaces en su núcleo para soportar altas cargas cíclicas y posibles impactos. Al mismo tiempo, poseen altísimas durezas superficiales (hasta 62 HRC) para sobrellevar las inclementes condiciones de desgaste por rozamiento al transmitir la potencia mecánica de un componente a otro. El mecanizado final de estas piezas se hace en estado duro, después del tratamiento térmico para lograr las exigentes tolerancias de posición y de forma.

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Adicionalmente, el acabado en algunos sectores de la pieza debe cumplir con condiciones de rugosidad superficial especiales que tienen que ver con las funciones del producto para mantener una lubricación adecuada durante su funcionamiento.

Siendo piezas rotativas, la historia de la manufactura ha tendido a generar ese tipo de funcionalidades superficiales a través del proceso de rectificado. Más recientemente, el avance en materiales de corte, como los insertos de CBN (nitruro de boro cúbico) han hecho posible que el proceso de torneado se pueda realizar de manera económicamente viable en aceros con durezas por encima de los 60 HRC: el llamado torneado duro.

Cuándo escoger torneado o rectificado

Hoy en día el torneado duro se enfrenta cada vez más al rectificado como un proceso competitivo. En principio, este último promete más precisión, mientras el torneado duro seduce con su eficiencia económica para bajas cantidades de producción y geometrías complejas.

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La escogencia de uno u otro proceso para el caso específico de sistemas de transmisión depende claramente de la aplicación. Ni uno ni otro proceso pueden ser evaluados ciegamente como "más económicos". Simplemente depende de la aplicación.

El rectificado cilíndrico ha sido el estándar de la manufactura de piezas de sección cilíndrica largas y delgadas por mucho tiempo. Su ventaja principal es la confiabilidad que le otorga la robustez de su proceso, optimizado a través de generaciones.

Con grandes series de piezas con superficies anchas, el torneado no es tan económico como el rectificado. Cuando por ejemplo, las durezas suben de los 63 HRC y deben obtenerse rugosidades superficiales por debajo de los 0,6 um Ra, es complejo alcanzar con el torneado precios competitivos, pensando que un proceso como el rectificado puede necesitar únicamente cambiar la rueda de CBN cada 3 meses trabajando a 18 turnos semanales. Cada rueda puede costar un par de miles de dólares, pero en su tiempo productivo fabricó varios cientos de miles de piezas de alta calidad. El torneado, aunque flexible en su concepto, puede presentar ciertos problemas de confiabilidad en el caso en que alguna herramienta de corte presente una pequeña fisura que genere luego problemas de acabado superficial, o incluso de generación de esfuerzos residuales sobre el producto. Es importante por esto hacer el cálculo de costos reales para decidir sobre el proceso ideal.

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Piezas fabricadas en su mayoría por rectificado. Cortesía: Junker

Una desventaja del uso de la tecnología de rectificado con CBN es que el aceite de lubricación del proceso da como resultado una mayor inversión en limpieza y desecho de residuos en comparación con otros métodos como el torneado, que puede hacerse incluso en seco.

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Un sistema que desde el punto de vista de la maquinaria nos puede ahorrar el dilema de escoger entre un proceso u otro, es uno como el recientemente lanzado centro de mecanizado vertical VLC 350 GT de la firma alemana EMAG. Las dos últimas letras de su nombre denotan sus principales funcionalidades (Grinding y Turning, o rectificado y torneado).

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Torneado duro en el centro de mecanizado vertical VLC 350 GT. Cortesía: EMAG

En este modelo, se lanza por primera vez la posibilidad de usar un eje oscilante de control numérico con cabezal de rectificado. De esta manera se pueden trabajar elementos cilíndricos además de rectificar sus agujeros internos. Según Marina Manger, del w, “la idea detrás de este desarrollo es que se puedan desarrollar soluciones para manufacturar lotes más pequeños de producción que incluyen muchos procesos de cambio de herramienta”.

Desde este punto de vista es clara la ventaja de un equipo que provee diferentes cabezales de rectificado desde su diseño, además de dar gran flexibilidad al tamaño de piezas a manufacturar, gracias a sus 350 mm disponibles para el diámetro de los componentes sujetados en mandril, que puede alojar. “Si un cliente desea mecanizar una amplia gama de piezas con muchos orificios diferentes, podemos integrar dos husillos de rectificado internos en la VLC 350 GT”, dice Manger. “La razón de esto es que los agujeros más pequeños requieren que la rueda de rectificado opere a velocidades más altas, mientras que los diámetros de agujero más grandes requieren una velocidad más baja. En determinadas circunstancias, esto no se puede lograr con un solo husillo de rectificado", complementa.

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Rectificado de piezas automotrices en el centro de mecanizado vertical VLC 350 GT. Cortesía: EMAG

Otros conceptos de maquinaria capaz de realizar múltiples procesos de torneado y rectificado son las de la serie Los modelos de máquinas compactas de la serie Univertor AM de la firma Weisser. Estos están predestinados para el mecanizado de piezas torneadas como ruedas dentadas, coronas, bridas o pistones de vehículos comerciales con un diámetro de hasta 500 mm y una longitud máxima de 350 mm. Se trata de una serie de tornos verticales pick-up muy rápidos, multifuncionales de uno o dos husillos en un diseño modular. Las máquinas están diseñadas para ser flexibles y predestinadas para un mecanizado completo rentable de varios tamaños de lote con requisitos de calidad muy altos. La posibilidad de integración tecnológica de, por ejemplo, torneado giratorio, torneado duro, rectificado, taladrado o fresado da como resultado una reducción significativa de los procesos logísticos internos y genera resultados de mecanizado de alta precisión.

Combinación inteligente de los procesos: Pre-torneado duro y rectificado final

La fabricación de una pieza como el engranaje para caja de cambios presenta múltiples pasos en los que se puede reducir mucho el tiempo de ciclo teniendo una máquina que evite el traslado, reconfiguración y calibración en diferentes equipos. Adicionalmente, es fundamental que las operaciones garanticen procesos rápidos y de alta calidad teniendo en cuenta que no todas sus superficies deben ser rectificadas.

Para los casos en que la especificación de cierto sector de las piezas requiere un acabado final libre del “espiral” propio del proceso de torneado, se puede de todas formas aprovechar el torneado duro para generar la geometría con una sobremedida muy pequeña (algunas centésimas de milímetro) y hacer el acabado por rectificado. De esta manera, el proceso de rectificado con ruedas de corindón o CBN se hace significativamente más corto, reduciendo costos. La especificación de la herramienta también se puede orientar más específicamente hacia la calidad final con este método.

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Combinación de procesos de torneado duro y rectificado final. Cortesía: Weisser

Al integrar sistemas de metrología y ejes lineales rápidos en la máquina, se garantiza la calidad y tiempos cortos de viruta a viruta, moviendo los componentes a la posición de mecanizado rápidamente.

La ventaja de este concepto combinado en comparación con la cadena de producción secuencial convencional es que las superficies que determinan la calidad se mecanizan en una sola sujeción. En el mundo de la fabricación de autopartes el sólo hecho de garantizar la calidad del producto al reducir pasos de sujeción y calibración puede hacer la diferencia al escoger qué sistema de mecanizado adquirir para prepararse para el futuro próximo.