Torneado vertical invertido

Como muchas de las máquinas-herramienta de la historia, el origen exacto del torno vertical (VTL) está perdido en el tiempo; seguramente existió en el siglo XIX. Para mí, la configuración VTL evoca marcas icónicas como Bullard, G.A. Gray y Giddings & Lewis, por nombrar unas pocas. Máquinas grandes hechas para tornear contra la gravedad partes muy grandes y que trabajan con un sistema de sujeción de piezas.

Por más de un siglo, la configuración tradicional VTL ha sido refinada con capacidad adicional de torneado/fresado, servocontrol CNC, reducción de escala para manejar tamaños de piezas de trabajo más pequeños y producción de volúmenes más altos con la ayuda de automatización auxiliar para el sistema de sujeción. Pero durante un siglo, el diseño básico del VTL permaneció sin cambios, con la base del husillo principal montada y el carro de herramientas instalado en una unidad deslizante de dos ejes sobre el husillo. Sin embargo, desde los noventa hay un nuevo diseño del VTL: el torno vertical invertido o pick-up.

Como su nombre lo indica, el diseño toma el VTL tradicional e invierte 180 grados sus principales componentes (herramental y husillo), lo cual permite la utilización del husillo principal para cargar/descargar material en bruto y partes terminadas. Recuerdo haber visto por primera vez una de estas prematuras máquinas durante una exposición de IMTS en Chicago, y fue como una bofetada: "¿Por qué nadie pensó en esto antes?".

Para encontrar el origen, desarrollo y niveles de capacidad del torno vertical invertido, visité a Gary Hulihan, presidente de Emag LLC, en las oficinas centrales de Emag en Farmington Hills, Michigan. Emag manufactura una extensa línea de máquinas verticales invertidas desde 200 milímetros hasta 1,2 metros de capacidad, que varían en sofisticación, desde aplicaciones de producción llave en mano con diseño personalizado, hasta celdas de producción autónomas.

Construcción de precisión
Todas las máquinas verticales invertidas de Emag usan un diseño de portal. La base frontal de la máquina tiene forma de U. Para amortiguación y estabilidad térmica, la base está hecha de concreto de polímero. El carro del husillo principal es de fundición de hierro y se extiende sobre la parte superior de la U, creando un lazo cerrado, una estructura cuadrada con una pequeña proyección de componentes.

El carro del husillo cruza los ápices de la estructura en U sobre guías lineales en el eje X. La estación de pick-up está hacia atrás del portal y la torreta de herramientas se encuentra montada en el frente. El husillo principal, al acoplarse cerca de su carro, se centra sobre las herramientas de corte y se soporta totalmente a través de la carrera del eje X. La misma unidad deslizante también lleva el movimiento del eje Y en máquinas equipadas de esta manera.

Ya que el husillo principal está sujeto a fuerzas de corte axiales y radiales, usa un rodamiento hidrostático para separar las fuerzas de corte y absorber vibración. El eje central del husillo está encapsulado en un manguito sin fricción, con una delgada capa de lubricante entre los componentes móviles. Cuando se aplica fuerza durante el corte, una resistencia opuesta del rodamiento hidrostático mantiene el husillo centrado, incluso en cortes interrumpidos. El husillo también es capaz de posicionarse en el eje C y contornear piezas de trabajo complejas.

En todos los ejes se usan escalas de cristal para retroalimentación del posicionamiento al CNC. Este sistema de lazo cerrado provee automáticamente datos de separación al control. La estabilidad térmica se mantiene por un sistema de enfriamiento de fluido activo. El motor de husillo, el husillo de trabajo, la torreta de herramientas, el gabinete eléctrico y las unidades base se mantienen a temperatura, a unos pocos grados respecto al ambiente.

Con este diseño vertical invertido, los componentes que brindan la precisión de la máquina --guías, tornillos de bola, escalas de cristal, motores servocontrolados-- pueden ubicarse fuera de la zona de trabajo y, por ello, pueden alejarse de las virutas y la contaminación con refrigerante. "Los únicos componentes en el área de manufactura son aquellos que necesitan estar ahí --comenta Gary--. Aquellos ítems son la parte misma: los sujetadores de la parte y la herramienta de corte. La gravedad se encarga de las virutas y el refrigerante, alejándolos del área de manufactura".

Capacidad multipropósito
El concepto básico de máquina vertical invertida ha evolucionado en varios grados de capacidad multipropósito, que permite procesar completamente una aplicación en una sola sujeción. Además de utilizar el husillo para cargar y descargar las partes en bruto y las terminadas, estas máquinas pueden tornear y ser configuradas para otras operaciones metalmecánicas, como taladrado, fresado, rectificado, tallado de engranajes, laminado y medición en la zona de trabajo de la máquina vertical invertida.

El diseño presenta un pequeño tamaño de apoyo, y sin necesidad de cargadores auxiliares, mantiene una mecánica simple. "Obviamente, usted tiene que tener el husillo, así que por qué no usarlo en lugar de un robot o un operador para cargar y descargar", dice Gary.

Muchos clientes de Emag producen altos volúmenes. Analizar una aplicación requiere mirar el número de operaciones, la remoción de material, el tiempo de ciclo y saber cuántas tolerancias cruciales tiene la parte. Esos factores ayudan a determinar si se debería procesar la pieza con un solo vertical invertido y una estación de rotación para op 10 u op 20 o ir con dos husillos dedicados que permitan mecanizar ambos op.

"Una excepción a esto es si puede usarse el mismo sujetador de trabajos para op 10 y op 20; de esa manera, una máquina de husillo único puede procesar ambas operaciones. Normalmente, ese no es el caso".

Otra consideración crítica en la ingeniería de proceso de una máquina vertical invertida o cualquier máquina de husillo doble es el balance entre op 10 y op 20. La idea consiste en eliminar los tiempos ociosos ajustando los dos tiempos de ciclo tan juntos como sea posible.

La torreta tipo disco usada en la máquina Emag carga hasta 12 herramientas y cada estación acepta herramientas estacionarias o herramientas vivas de taladrado y fresado con diámetros de vástago desde 40 mm hasta 60 mm, según el tamaño de la máquina. La torreta usa un acople integral Curvic para asegurar el disco en su posición. El mecanismo de indexado está contenido en la caja de la torreta, la cual elimina la entrada de contaminación a la unidad.

En una aplicación de doble husillo (en realidad, dos máquinas de husillo sencillo lado por lado), la pieza de trabajo en bruto se alimenta en la primera máquina y es recogida de la banda transportadora por el husillo. Se mecaniza, y cuando está completa, se reemplaza en el transportador transversal y se mueve hacia la estación de rotación al alcance del segundo husillo. El segundo husillo de la máquina recoge la parte para el trabajo restante. Una vez se completa, el husillo ubica la parte terminada en el transportador de salida.

Para asegurar un asiento automático y seguro de la pieza de trabajo en el mandril del husillo principal, la estación de recogida usa una placa cargada por resorte que compensa cualquier desalineación del material en bruto. Si una parte en bruto está oblicua por rebabas o alojamientos no uniformes, la placa suspendida se desviará bajo presión del husillo de modo que el material se alinee adecuadamente en el mandril.

La sujeción de la pieza para la primera operación es generalmente de tipo mandril ID u OD, que usa tres o cuatro mordazas para fundiciones bastas, materiales para corte o forjas. En la segunda operación, ya que se ha creado un lugar de precisión durante la primera operación, pueden usarse boquillas, especialmente si es necesario localizar una característica mecanizada.

Mezcla variable
La mayoría de las máquinas que instala Emag son diseñadas para producción dedicada, muchas de ellas de la industria automotriz. "Antes, las cantidades automotrices estaban basadas en 1,2 millones de partes producidas en tiempos de ciclo de 9 segundos. Ese número mágico estaba basado en horas de trabajo disponibles, turnos disponibles y otros criterios –explica Gary–. La producción estaba centralizada en la planta OEM o de primera línea. A menudo, la mitad de la producción de la planta se enviaba a otras más lejanas; con el tiempo, esa filosofía ha cambiado con un nuevo pensamiento que lleva una visión diferente de la producción y ha permitido ver que descentralizar la producción tiene mayor sentido. En lugar de enviar la mitad de la producción de la planta ‘A’ a la planta ‘B’, se instalaron celdas de manufactura en la planta ‘B’. Así, hoy el número mágico para una celda de producción básica está más en el rango de 450.000 a 500.000".

Además de este mercado tradicional automotor, Emag ha visto interés en el concepto vertical invertido para talleres que trabajan cantidades de lotes medianos y pequeños.

A este segmento, la compañía ofrece una línea de máquinas verticales invertidas autónomas para aplicaciones de bajos volúmenes y alta mezcla.

Estas máquinas son celdas de torneado autocontenidas con un carrusel ajustable de partes. Si su taller procesa fundiciones o forjas en volúmenes pequeños, medianos o altos, las ventajas inherentes del concepto vertical invertido, carga/descarga automática, tamaño de apoyo pequeño, herramental fijo o vivo y mecanizado de precisión pueden ser valiosas.

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