Una exitosa transición al mecanizado de cinco ejes

Cada taller de máquinas que adopta una nueva plataforma de equipos se enfrenta a una curva de aprendizaje inherente. Por eso, no sorprende que Steve Nadeau, director general de Moulexpert, de Canadá, fuera advertido por algunos de sus empleados del taller que podría tomar un poco de tiempo obtener alguna producción real de la primera máquina de cinco ejes de la compañía. Pero como se evidenció, el fabricante de moldes de inyección, ubicado en Levis, Quebec, estaba realizando trabajos en su nueva máquina de cinco ejes luego de apenas dos y media semanas de que le fuera entregada.

Después de años de reconstruir moldes para clientes, destinados a producir contenedores de pared delgada para comida y otros productos de consumo, Moulexpert ahora usa su capacidad de mecanizado de cinco ejes con el fin de manufacturar moldes de precisión para contenedores de pared delgada de su propio diseño. La máquina, recientemente instalada en el centro de sus instalaciones, le permite a la compañía acelerar los tiempos de entrega de aquellos moldes competitivos en precio.

Sin embargo, la compañía no usa su nueva máquina para desarrollar operaciones de contorneado en todos los cinco ejes. En su lugar, encuentra gran valor en el posicionamiento en cinco ejes, o mecanizado “3+2”, por lo cual ejecuta un programa de fresado en tres ejes con la herramienta de corte bloqueada en una posición inclinada con los ejes rotacionales A y C de la máquina. Esta técnica es especialmente útil para taladrar agujeros de enfriamiento en los insertos del molde de contenedor de pared delgada, que van paralelos a las paredes en ángulo de los núcleos y cavidades del inserto. A diferencia de los agujeros taladrados normalmente a una superficie de línea de partición del inserto, los agujeros en ángulo proveen un enfriamiento más efectivo, que da como resultado un proceso de moldeado por inyección más rápido y consistente.

Sin embargo, taladrar estos agujeros en una máquina convencional de tres ejes requiere volver a fijar bloques de inserto varias veces. El enfoque de 3+2 alivia este problema, porque los ejes rotacionales adicionales permiten que la herramienta ataque cinco caras de un bloque en casi cualquier ángulo en un solo alistamiento. Además, el 3+2 posibilita el uso de herramientas de corte rígidas y cortas, porque el husillo puede posicionarse cerca de la pieza de trabajo. Las herramientas más cortas permiten mejores avances y velocidades, con menor deflexión de la herramienta.

Conocí recientemente al señor Nadeau y a Marc de Grandmont, gerente de proyectos de la compañía, quienes delinearon cómo la empresa estableció un proceso de cinco ejes que se ajustara al máximo a sus necesidades particulares. Ellos también revelaron cómo el soporte y consejo que recibieron de sus proveedores de equipos y software ayudaron a agilizar la integración del mecanizado de cinco ejes en su taller.

Limitaciones de los tres ejes, alternativas de los cinco ejes

Moulexpert abrió en 2001. Es una operación de tamaño modesto con 20 empleados, pero Nadeau dice que este tamaño resulta manejable y les da agilidad para responder rápidamente a los requerimientos especiales de los clientes. La mayoría de empleados ha estado con la compañía por varios años, así como con otros fabricantes de moldes, de manera que hay una gran experiencia colectiva en mecanizado y en fabricación de moldes, especialmente con contenedores de pared delgada.

Cuando en 2012 se tomó la decisión de enfocarse en el diseño y manufactura de sus propios moldes para contenedores de pared delgada, fue claro que el equipo de tres ejes de la compañía restringiría los esfuerzos para producir moldes de calidad. Esto se debió, en gran parte, al número de agujeros en ángulo que estos insertos de moldes requieren, no solo para el enfriamiento sino también para el venteo y los circuitos hidráulicos. El número de agujeros difiere para los lados del núcleo y la cavidad, pero puede variar desde 30 para un inserto de molde sencillo hasta 100 para un diseño más complejo.

De Grandmont explica que con una máquina de tres ejes, los operadores habrían tenido que hacer alistamientos separados para cada cara de un bloque de inserto y también para cada agujero no perpendicular a esas caras. Esto implicaría de 10 a 25 alistamientos diferentes. Cada alistamiento implica soltar el bloque, elevarlo con una grúa, rotarlo y volverlo a sujetar, alinearlo y ajustar su cero en la máquina antes de comenzar la siguiente operación de taladrado o fresado. El mecanizado de cinco ejes le permitiría al taller completar todas estas operaciones de mecanizado en solo dos alistamientos.

El primer paso de la compañía fue determinar qué tipo de máquina de cinco ejes sería la más apropiada, porque están disponibles en gran número de configuraciones. Se consideraron las máquinas con trunnions, pero fueron descartadas porque los trunnions limitan el tamaño de la pieza de trabajo que una máquina podría acomodar de otro modo. La mayoría de los insertos de moldes para contenedores de pared delgada no son exageradamente grandes. Sin embargo, Moulexpert atiende clientes que producen tanto partes fundidas de matrices de precisión como partes plásticas para automóviles, carros de nieve, embarcaciones y palas de excavadoras cuyos moldes pueden ser demasiado grandes o pesados para la mayoría de trunnions. Lo mismo aplica para las placas de soporte de los insertos de molde de pared delgada multicavidad. Además, el cuerpo en forma de U, inherente a un trunnion, puede evitar el acceso de la herramienta de corte a algunas características de la pieza de trabajo y requeriría potencialmente de alistamientos adicionales.

Moulexpert también buscaba que la máquina tuviera una buena relación de la potencia del husillo y el torque para desarrollar tanto operaciones de taladrado como de fresado de desbaste. Últimamente, la compañía escogió una máquina HPM 1350U, de GF AgieCharmilles, la cual tiene un diseño de columna móvil. La rotación de 360 grados de su eje C es provista por una mesa de 43.3” de diámetro con capacidad de 3.527 libras de carga. El cabezal del husillo provee una rotación del eje A que va desde +16 a -120 grados. Además, la máquina ofrece un husillo HSK-A63 de 15.000 rpm con 51 caballos de potencia y 142 libras-pie de torque.

Nadeau dice que esta máquina universal provee la combinación correcta de características para el rango de trabajo que pasa por ella. La mesa ofrece un tamaño suficiente sin obstrucciones, y el husillo es lo suficientemente versátil para realizar taladrado y roscado, así como operaciones de desbaste y semiacabado. Durante las operaciones de desbaste, los ejes A y C están hidráulicamente bloqueados en posición para proveer la rigidez requerida en cortes pesados y para alargar la vida de la herramienta.

A diferencia de las máquinas de tres ejes de Moulexpert, la HPM 1350U tiene una entrega de refrigerante a alta presión a través del husillo, que les permite tomar ventaja de las herramientas de corte más avanzadas disponibles en la actualidad. Esto es especialmente útil para operaciones de taladrado con herramientas largas de carburo, como la que se observa en la foto, porque facilita la evacuación de viruta para minimizar el número de retracciones momentáneas. Además, la compañía recibió un buen consejo de su distribuidor de herramientas de corte, Baron Cutting Tools. Baron ofrece un gran número de líneas de herramientas y ha trabajado de cerca con Moulexpert durante varios años, de modo que conoce muy bien las necesidades de herramental del fabricante de moldes y, en este caso, qué herramientas deberían ser consideradas para obtener lo máximo de la nueva máquina de cinco ejes. De hecho, Baron está ubicada en las mismas instalaciones de Moulexpert, lo cual facilita enormemente la comunicación e interacción entre las dos organizaciones.

Opciones de software

Incluso antes de definir el tipo de máquina de cinco ejes a comprar, Moulexpert se dio cuenta de que el software de simulación sería una parte importante de su proceso de cinco ejes, dada la complejidad de la coreografía de movimientos de la herramienta y la mesa. Durante las discusiones con GF AgieCharmilles, el fabricante de moldes supo del software TruePath de Camplete Solutions, que el fabricante de máquinas-herramienta ofrece como opción para sus máquinas de cinco ejes de base Heidenhain. TruePath es una plataforma específica de máquina que desarrolla posprocesamiento, simulación y optimización de patrones de herramienta.

Jeff Fritsch, vicepresidente de ventas de Camplete, dice que su compañía tiene relaciones estrechas con constructores selectos de máquinas-herramienta que proveen modelos 3D de cada componente de máquina estándar y opcional. Fritsch informa que Camplete es la única compañía de software con acceso a tales modelos 3D específicos de máquina. Esto les permite a los usuarios de TruePath desarrollar simulaciones muy precisas y detalladas, en tiempo real, para detectar y evitar colisiones, ver la remoción de material, la diferencia entre el patrón de herramientas de cinco ejes programado y el patrón real que seguirá la herramienta, identificar posiciones del cortador excedidas y demás.
TruePath también genera posprocesadores con soporte para la mayoría de sistemas CAM. Como indica Fritsch, el posprocesador es el vínculo directo entre un sistema CAM del taller y la máquina. Sin embargo, muchos posprocesadores para máquinas de cinco ejes no tienen en cuenta el movimiento complejo y no lineal exclusivo de cada tipo de máquina. Esto puede llevar a un movimiento impredecible de la herramienta y a variaciones en las condiciones de corte que pueden generar acabados superficiales pobres, rayones y mayor desgaste de la herramienta. El TruPath genera códigos libres de errores, específicos de la máquina, anota Fritsch.

Nadeau dice que compró el paquete de software opcional TruePath porque apreciaba esta integración cercana de simulación, posprocesamiento y máquina. Parecía una solución lista.

En la práctica, un programador CAM desarrolla primero un programa de parte con PowerMill, de Delcam. Una vez se completa un programa, TruePath abre el archivo de programa .XML generado en PowerMill, que contiene todos los datos necesarios para correr apropiadamente una simulación. Esto incluye archivos de los patrones de herramienta, base de datos de herramental, modelos de parte, ubicación de todos los datos en referencia al sistema de coordenadas de la máquina, etc. El programador puede desarrollar entonces una simulación para verificar el programa antes del posprocesamiento.

Los operadores pueden también acceder al TruePath en una computadora cercana a la máquina para ver la simulación y el orden de las operaciones. Una ventaja importante que ofrece el software es la capacidad de cambiar el orden de las operaciones para ajustarse a las necesidades de producción. Aunque el programador CAM genera un programa robusto y libre de colisiones, un operador que puede estar atendiendo varias máquinas podría reconocer que el reordenamiento de operaciones resultaría en una mayor utilización del husillo. Por ejemplo, puede tener sentido saltar algunas operaciones más cortas en la máquina de cinco ejes que requerirían la intervención del operador y luego moverse a una operación de corrida más larga. Esto liberaría al operador para atender otras máquinas que necesitan atención inmediata, en lugar de dejar esas máquinas ociosas. Correr otra simulación aseguraría que el cambio sugerido a la secuencia de operaciones en la máquina de cinco ejes no resultara en una colisión. La clave es que estos cambios actualizan automáticamente el patrón de herramientas y el código G, sin tener que rehacer el programa.

¿Más allá del 3+2?

Nadeau piensa cambiarse al contorneado en cinco ejes en algún momento, pero la aplicación tendría que ser la correcta. Por ahora, Moulexpert está viendo todos los beneficios que imaginó cuando consideró por primera vez el mecanizado 3+2.

Y él todavía está impresionado con la exitosa transición al mecanizado de cinco ejes en su compañía. Así como los empleados, que dieron su voz de alerta inicialmente.