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La multitarea, ha venido para quedarse

24/10/2014

Multitasking o multitarea, que no es más que la reunión de una gran variedad de operaciones sobre la misma pieza. Muchos fabricantes han acuñado un nuevo término para este tipo de mecanizado: el mecanizado completo. En el siguiente artículo, sus autores procedentes del Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad del País vasco (UPV/EHU) respasan conceptos, evolución, configuraciones, piezas objetivo, software, sectores de aplicación…

Conceptos generales: evolución
El torno, la máquina primitiva por antonomasia para el mecanizado, ha dejado de ser de unos años hasta aquí una máquina necesaria pero de escaso valor añadido para comenzar a crecer en complejidad y riqueza. Desde la máquina manual diseñada por Henry Maudslay en el siglo XIX hasta los centros de torneado actuales, las capacidades de esta máquina han ido en continua evolución, hecho que se ha acrecentado de forma espectacular en los últimos años.
Hoy día, el fabricante de componentes debe mecanizar piezas sujetas a tolerancias cada vez más estrechas por parte del cliente. Al querer evitar el cambio de amarre y la pérdida de la referencia sobre la pieza, las nuevas máquinas deben reunir el mayor número de operaciones. Partiendo de arquitecturas basadas en tornos o fresadoras tradicionales, comienzan a aparecer máquinas aptas para combinar operaciones con herramienta estática o rotativa.
Este concepto es lo que se conoce como multitasking o multitarea, que no es más que la reunión de una gran variedad de operaciones sobre la misma pieza. Muchos fabricantes han acuñado un nuevo término para este tipo de mecanizado: el mecanizado completo (complete machining). Algunas tendencias importantes son (ver Figura 1):

  • 1.- Utilización de dos o más procesos de forma independiente sobre la misma máquina. Por ejemplo, torneado en 4 ejes.
  • 2.- Incorporación de procesos híbridos (mecanizado asistido): mecanizado asistido por plasma o láser (PAM/LAM) y mecanizado asistido por ultrasonidos (UAM).
  • 3.- Integración de procesos que incorporan 2 o más procesos convencionales: creep feed grinding y mecanizado de alta velocidad (HSM).
  • Las ventajas del multi-tasking con respecto al mecanizado tradicional son básicamente:
  • 1. Mejora de la precisión del componente
  • 2. Reducción del coste/pieza
  • 3. Reducción de tiempos de espera durante la fabricación.

Más concretamente, los beneficios del proceso se consiguen a través de una reducción de las máquinas necesarias para producir las mismas piezas, incluyendo una disminución de costes de amarres, inventario in-process, tiempos de carga/descarga, mano de obra necesaria para mover la pieza. También, se evita la duplicación de herramientas y portaherramientas en los puestos.
Otros potenciales beneficios son la reducción del espacio requerido en planta, un rendimiento mayor en lotes pequeños y medios junto con una cierta flexibilidad para adaptarse a cambios en las especificaciones de las piezas desde ingeniería.
La primera máquina multifunción, llamada Mill-Turn, fue construida a mediados de los años 90 por WFL en Linz. Se trataba de una máquina para tornear, fresar y taladrar y combinaba de esta manera, las características de un centro de torneado de 4 ejes con las de un centro de mecanizado de 5 ejes. Hoy día, se sigue el mismo principio de: flexibilidad, tiempos bajos de ciclo y precisión junto a nuevas evoluciones como son:

  • - Integración de torneado, taladrado, mandrinado y fresado con otros procesos como mecanizado de agujeros profundos, tallado de engranajes por generación o torno-fresado (Figura 2)
  • - Combinación de torneado con rectificado ya que se necesita menos tiempo para el acabado de rectificado. De esta manera, se elimina el error de re-amarre.
  • - Combinación de fresado de alta velocidad con tecnología láser para mecanizar materiales duros y superduros (con PCD y CBN).
  • - Rectificado con muelas y cabezales múltiples.
  • - Mecanizado asistido por ultrasonidos de materiales duros con herramientas de diamante. En general, suelen involucrar también operaciones de taladrado, fresado y rectificado.

Configuraciones de máquinas y piezas objetivo
Bajo el nombre de multi-tasking, se agrupan máquinas cuyo aspecto general exterior nada tienen que ver. En los últimos años, además de la integración de procesos y ciclos de mecanizado, se han dado nuevos avances en controles numéricos (control múltiple y sincronizado de los ejes) y en la implementación de dispositivos de medición in-process. Entre los distintos tipos de configuraciones pueden encontrarse máquinas de todo tipo de tamaños, basadas en arquitecturas de torno o fresadora tradicional. Dependiendo de la filosofía de partida, puede hablarse de turn-milling o mill-turning, aunque la distinción entre ambas es cada vez más difusa.
Por un lado, aparecen máquinas de tamaño pequeño-medio cuyo objetivo es la fabricación de una amplia variedad de componentes para lotes no muy grandes. Para ello, Mazak propone el concepto DONE-IN-ONE (Figura 3), que en realidad expresa la misma filosofía anterior de reunir todas las operaciones desde el desbaste hasta el acabado. Esta suele ser una solución típica ya que responde a muchos de los requisitos exigidos en piezas aeroespaciales, para automoción, moldes o para el sector médico.
Mazak, Okuma y otros fabricantes suministran máquinas capaces de tornear, fresar, rectificar, tallar y mecanizar en 5 ejes simultáneos. Mazak con su desarrollo de la serie Integrex. Por su parte, Okuma ofrece entre otras, las gamas Multus y Macturn. La MacTurn posee dos torretas independientes que pueden mecanizar de forma independiente o simultánea. Además del eje C en el cabezal principal, dispone en su torreta superior de eje B y movimiento en Y para mayor flexibilidad. La torreta inferior proporciona 12 herramientas más de tipo torno y el 4º eje. Dispone también de ayudas para detección de colisiones y thermo friendly para asegurar tiempo de producción ajustado y alta precisión.
Por otro lado, la máquina proveniente de países con bajos costes de fabricación es ya lo suficientemente competitiva como para luchar contra las máquinas occidentales. Es por ello, que el fabricante europeo se dirige hacia ella fabricación de máquinas grandes ya que requieren de gran conocimiento para mantener los niveles de precisión y rigidez en valores comparables a los de máquina pequeña-media. Los fabricantes de centros de torneado y de fresado han dado un paso adelante con grandes máquinas que integran una gran variedad de procesos permitiendo fabricar la pieza en la misma atada. Estos centros incorporan operaciones de torneado y fresado pero también taladrado, roscado, rectificado e incluso tratamientos superficiales sobre la pieza (bruñido y endurecimiento láser). Pueden acoger piezas de varios metros de largo o de alto (35 Tm) y disponer de grandes capacidades de potencia y par. La figura 4 muestra algunas piezas objetivo como el hub de los aerogeneradores o un cigüeñal para transporte marino.
Un torno de construcción tipo modular permite el mecanizado de componentes complejos de forma productiva y precisa. Los cabezales de fresado se suministran con conos HSK con grandes carruseles de herramientas. La máquina está diseñada para ser especialmente rígida garantizando altas tasas de arranque y alta calidad y repetitividad. No sólo disponen de herramientas motorizadas de gran capacidad sino de cabezales de AV montados sobre los ejes X/Y/Z con capacidad para rotar e interpolar desde el lado de la herramienta (Figura 5).
La empresa WFL, pionera en la filosofía multi-tasking incorpora nuevas posibilidades como el Ultra High Pressure Coolant (UHPC) y la medición por ultrasonidos. Además, pueden incorporar también procesos de taladrado profundo y de realización de cámaras interiores en piezas.
Entre los productores nacionales, Ibarmia está apostando fuerte en los últimos tiempos, integrando en sus platos de tornear operaciones complementarias con herramienta rotativa. La Figura 6a muestra el modelo THC22 dotado de un plato de tornear y de un cabezal portaherramientas que puede funcionar en modo torno o fresadora, con posibilidad de realizar operaciones complejas interpolando el 5º eje. La empresa colabora además en dar soporte a los usuarios en la puesta a punto del proceso de fabricación de una pieza. Danobat también ha desarrollado un torno vertical (VTC, ver Figura 7b) con cabezal con distintas posibilidades: torneado con 4 herramientas a 90º, cabezales de corte (posicionamiento por acoplamiento Hirth) para fresado con giro en B y con posibilidad de moverse en Y.
Otras disposiciones habituales para optimizar los tiempos de ciclo son:

  • - Cabezales gemelos: para mecanizar dos piezas de forma simultánea.
  • - Un único cabezal, varias torretas para mecanizado simultáneo.

Integración de procesos
La integración de procesos y la metrología in-process es una realidad cada vez más palpable en nuestro entorno. Las máquinas actuales son capaces de gestionar diferentes tipos de herramientas y configuraciones para trabajar con procesos combinados o incluso introducir sistemas de medición y captación para realizar el control dimensional de los componentes mecanizados. Algunos de los sistemas y procesos más interesantes y que son de gran utilidad se presentan a continuación.

Procesos Híbridos
Definimos proceso híbrido como una combinación de técnicas diferentes aplicadas sobre el componente, normalmente de forma simultánea o, en ocasiones de forma secuencial. En los últimos años se están integrando diferentes tratamientos superficiales en la propia máquina de mecanizado. Uno de los típicamente empleados es el proceso de deformación plástica denominado bruñido. Un ejemplo curioso de proceso combinado es la combinación de una herramienta de torneado con una herramienta de bruñido con bola. Este nuevo proceso híbrido, denominado por los autores como torneado asistido por deformación plástica en frío, implica el poder mecanizar con una herramienta de torneado convencional y además mejorar las propiedades mecánica y físicas de la superficie. La idea consiste en incorporar a un portaherramientas estándar de torneado un sistema de bruñido con bola. De esta forma, el material mecanizado para a ser bruñido en la misma operación, dejando un acabado superficial de gran calidad y mejorando las características del material en superficie.
Otro grupo de procesos no convencionales cuya integración en máquinas de mecanizado supone una gran ventaja competitiva para el sector industrial son los procesos basados en la tecnología láser. Principalmente esta tecnología se utiliza para aumentar la temperatura de la zona de corte facilitando así el mecanizado de materiales de alta dureza. Esta idea se planteó ya en los años 90 pero la gran inversión inicial necesaria en la compra de equipos hacia que los plazos de amortización no fuesen asumibles por el sector industrial. Así, una alternativa más económica ha sido la utilización de otras fuentes de calor como el plasma. En los últimos años el desarrollo de los láseres de fibra y la generalización de su uso en procesos como el corte de chapa, está abaratando los costes de estos equipos, lo que hace que la industria vuelva a poner en su punto de mira esta tecnología para asistir procesos convencionales de mecanizado. Así, el Fraunhofer IPT lleva años estudiando con éxito la aplicación de esta tecnología hibrida en gran variedad de materiales de última generación en industrias punteras como pueden ser la aeronáutica o la de automoción.
También existen referencias de procesos de bruñido combinado con técnicas láser. Como por ejemplo el proceso de acabado basado en el bruñido asistido por láser. Se trata de hacer incidir un haz láser en la superficie de la pieza que va a ser bruñida. De esta forma el material aumenta su temperatura facilitando la deformación plástica. Aplicado a materiales de elevada dureza donde se necesitan elevadas fuerzas de bruñido, se demuestra que el calentamiento de la superficie previo a la aplicación del bruñido facilita de forma considerable la deformación plástica del material. Los resultados muestran que comparando el bruñido tradicional con el proceso propuesto en materiales de elevada dureza, se consiguen mejoras en la rugosidad de hasta el 40%. Además se reducen las fuerzas de bruñido durante el proceso. En relación al campo de tensiones residuales generadas y al incremento de dureza, los ensayos no revelan diferencias notables entre ambos procesos. Una idea similar es combinar el uso de Thermal Spray y procesos de acabado mecánico como el bruñido, para generar recubrimientos innovadores para matrices de extrusión y reducir así el desgaste de este tipo de herramientas.

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