Es hora de tomarse en serio el equilibrio de herramientas

Mar 22, 2023

Apuesto a que equilibras tus llantas. Y la mayoría de tus amigos probablemente también lo hagan. Entonces, ¿por qué tantos talleres inician la producción sin equilibrar sus herramientas de corte y muelas abrasivas?

El razonamiento no debería ser porque están funcionando a bajas velocidades. Después de todo, cuando viaja por la carretera, las llantas de su automóvil solo giran a 700-900 rpm. Lo más probable es que se deba a que demasiados profesionales de la fabricación subestiman los beneficios potenciales de equilibrar sus herramientas. Y, en algunos casos, las mejoras hacen que el equilibrio sea una obviedad.

Entonces, ¿por qué equilibrar? ¿Y cómo?

Todos los tipos de mecanizado se benefician de las herramientas equilibradas porque esa es la única forma en que puede optimizar el acabado superficial y la vida útil del husillo, según Brendt Holden, presidente de Haimer USA, en Villa Park, Illinois. Por el contrario, observó, los operadores a menudo reducen la velocidad de una máquina para resolver un problema de acabado superficial o precisión, cuando la verdadera dificultad es una herramienta desequilibrada.

De hecho, Holden dijo que algunos de los mayores éxitos de Haimer son los talleres que ejecutan cabezas perforadoras a velocidades relativamente bajas. Recordó uno de esos ejemplos en los que el cliente redujo la velocidad a 300 rpm porque, de lo contrario, el movimiento en el cabezal de perforación daría como resultado orificios de gran tamaño. Simplemente equilibrando la herramienta, la empresa pudo obtener la precisión requerida y "ejecutar la herramienta a 1200 rpm con cuatro veces la velocidad de avance", agregó Holden.

Si bien los casos dependen de la aplicación, hay situaciones y factores que exigen un equilibrio, señaló Dieter Marx, fundador y director general de MPM Micro Präzision Marx GmbH, Erlangen, Alemania. Por ejemplo, afirmó, absolutamente todas las herramientas que funcionan a más de 4000 rpm deben equilibrarse, al igual que todas las herramientas de diamante policristalino (PCD). Mientras tanto, las herramientas de una sola flauta y de un solo punto (incluidas muchas cabezas perforadoras) están inherentemente desequilibradas, por lo que casi siempre son "imprescindibles", según Marx.

Las herramientas de puertos complejos y las herramientas con múltiples insertos en ángulos extraños también son candidatas obvias para el balanceo.

Las herramientas asimétricas también requieren equilibrio, al menos para funcionar a velocidades más altas, agregó Simon Manns, vicepresidente de la división de rectificado de herramientas de United Grinding North America, Miamisburg, Ohio. Esto incluye herramientas con hélices variables e indexación desigual (características que se han agregado para combatir los armónicos que ocurren cuando se ejecuta a velocidades más altas).

Manns señaló que las herramientas con un número impar de flautas no son simétricas, incluso si están indexadas por igual. "Es el corte. Si se trata de una herramienta de tres flautas, normalmente tendría un diente largo y dos cortos. Está más cortado en el diente largo que en los dientes cortos. Y esto crea un desequilibrio en el extremo de la herramienta".

El tamaño y la velocidad importan, continuó Manns. "Cuando llega a una herramienta de media pulgada, cinco octavos, tres cuartos de pulgada, hay bastante diferencia en el material que ha quitado en el extremo para el corte".

Curiosamente, Holden dijo que se ha topado con casos de fresas de metal duro integral de dos canales, aparentemente simétricas y de gran diámetro que estaban significativamente desequilibradas. Atribuyó esto a que el fabricante de herramientas se enfocaba en lograr un borde de corte perfecto y se olvidaba de rectificar flautas idénticas.

El equilibrio también puede ser la solución a un problema aparentemente no relacionado. Holden relató el caso de una empresa de automóviles que compró conjuntos de portaherramientas estrictamente preequilibrados para la producción de motores. "Su impresión decía que el ensamblaje de la herramienta tenía que llegar a ellos balanceado con un grado de calidad de G2.5 a 15,000 rpm. Pero no tenían forma de verificar".

La empresa no tenía máquinas que funcionaran a más de 8000 rpm y, sin embargo, su índice de cambio de herramientas no planificado fue del 57 % durante la producción.

Luego, el fabricante de automóviles compró un balanceador Haimer para verificar las herramientas entrantes y rechazó cualquier conjunto de herramientas que no cumpliera con las especificaciones. Como resultado, los tiempos de cambio de herramientas no planificados se redujeron a solo un 7 por ciento, dijo Holden, y señaló que la empresa ahorró $ 250,000 durante un período de prueba de seis meses.

"Compraron el balanceador como un indicador de pasa/no pasa para responsabilizar a sus proveedores de herramientas de corte, y resolvió problemas internos que no sabían que tenían", agregó.

Los buenos fabricantes de herramientas de corte consideran el equilibrio cuando fabrican la herramienta. Por ejemplo, Sandvik Coromant EE. UU., Westminster, SC, emplea un enfoque de "diseño equilibrado", según el Gerente de Diseño Ranulfo Vieiro. La empresa creó sus herramientas indexables en 3D con el software Siemens NX, que permite a Sandvik analizar el desequilibrio de una herramienta y ajustar el diseño en consecuencia.

Esto mejora el diseño, pero puede que no sea perfecto.

Una vez que se ha construido el cuerpo de una herramienta, continuó Vieiro, se equilibra en una máquina Haimer. Alrededor del 90 por ciento de las veces, se requiere una pequeña remoción de material para equilibrar el cuerpo y cumplir con los niveles de calidad de equilibrio G2.5. Sandvik verificará el cuerpo de una herramienta sin insertos y el ensamblaje completo con insertos maestros utilizados solo para ese propósito, dijo Vieiro.

Con respecto a las fresas de metal duro integral, parece que se presta menos atención a garantizar que la herramienta esté equilibrada. La marca Walter de United Grinding y ANCA USA, con sede en Wixom, Michigan, ofrecen software para hacer precisamente eso. Estos sistemas evalúan la geometría de la herramienta 3D para predecir el desequilibrio y luego ofrecen opciones para mover el centro de gravedad para equilibrar la herramienta.

Un método de equilibrio común es alargar ligeramente una flauta. Muchas veces esto puede ser apenas perceptible, tal vez solo 0,5 mm, dijo Manns.

Estas técnicas son útiles, aunque no perfectas. También están limitados a herramientas de densidad uniforme; no funcionarán tan bien en una herramienta de PCD soldada.

Las herramientas de corte equilibradas dan a los fabricantes la libertad de reemplazar las herramientas en sus soportes sin tener que volver a equilibrar el conjunto. Pero es el conjunto completo lo que realmente cuenta, ya que no sirve de nada tener una herramienta equilibrada si el mandril está fuera de control.

Incluso podría tener una herramienta balanceada en un mandril balanceado y descubrir que el tirador lo desequilibra. Holden describió un escenario desafortunado en el que un operador amoló un plano en una herramienta de corte perfectamente equilibrada porque necesitaba ejecutarlo en un portaherramientas Weldon. Tal situación grita "¡reequilibrio!" Marx sostiene que una herramienta debe reequilibrarse incluso después de cambiar un solo inserto.

El disco es la herramienta en las operaciones de esmerilado, y el equilibrio es igualmente importante si intenta maximizar la vida útil del disco y el husillo mientras obtiene el mejor acabado superficial en una pieza. Por otro lado, al igual que con las herramientas de corte, puede salirse con la suya sin hacerlo si no es demasiado exigente con estos factores.

Como dijo Manns, nadie se arrepiente de haber comprado una balanceadora. "Una vez que lo ves, los beneficios son obvios".

Pero tanto Manns como Jack Hooper, ingeniero de procesos sénior de Sandvik Coromant, dijeron que la calidad de las muelas abrasivas de herramientas actuales es tal que, con el pulido adecuado, se pueden esmerilar buenas herramientas sin equilibrarlas. No son las mejores herramientas. Pero buenas herramientas.

Según Manns, hay dos casos en el rectificado de herramientas de cinco ejes que prácticamente requieren balanceo de ruedas. La primera es en la fabricación de micro y pequeñas herramientas. "Solo necesitas un poco de vibración para destruir una herramienta de medio milímetro", explicó.

"Sus ruedas son clave. El equilibrio es muy importante en herramientas más pequeñas". El balanceo de las ruedas también es "casi necesario para crear con precisión una geometría final realmente agradable en esas herramientas más pequeñas".

El segundo caso es en máquinas de erosión con doble husillo. En esa configuración, normalmente se erosiona con electrodos de cobre en un lado y se muele en el otro. Manns dijo que las ruedas de cobre a menudo están "bastante desequilibradas". Eso no es un factor cuando estás erosionando, porque eso ocurre a muy bajas revoluciones. Pero cuando cambia a rectificado, todo el husillo puede funcionar a 4000 rpm o más. Por lo tanto, los electrodos desequilibrados dañarán la operación de rectificado.

Hay un voto más fuerte a favor del equilibrio en el rectificado de herramientas: maximizar el rendimiento. Citando un estudio realizado por OSG USA en Bentonville, Illinois, hace siete años, Holden lo llamó "probablemente la recuperación de la inversión más fácil que jamás hayamos visto en cualquiera de nuestros productos".

OSG rectificaba un millón de herramientas por año antes de agregar el balanceo de ruedas a su proceso, lo que proporcionó una base de estudio estadísticamente significativa. Equilibrar las ruedas a G2.5 a 10 000 rpm redujo el consumo de energía de una máquina en un 18 %, al tiempo que aumentó la vida útil de las ruedas en un 20 % y la vida útil del husillo en un 30 %, con una mejora evidente en el acabado de la superficie.

Pero el mayor beneficio fue el aumento del 18 por ciento en las velocidades de molienda. OSG agregó casi 120 000 herramientas en la producción anual con solo equilibrar sus ruedas.

Pasando del rectificado de herramientas al rectificado cilíndrico y superficial, donde las muelas son más grandes y pesadas, el equilibrio se vuelve aún más importante. Como explicó Hooper, la tolerancia de descentramiento para las herramientas de corte terminadas es del orden de 15 µm, y "es mejor estar muy por debajo de eso para la herramienta en blanco". Debido a que las muelas abrasivas OD utilizadas para producir los espacios en blanco tienen un diámetro de 300 mm o más y funcionan a aproximadamente 7000 rpm, "es absolutamente crítico que equilibre esa muela en la máquina", concluyó Hooper.

Los dos líderes del mercado en máquinas equilibradoras independientes son Haimer y MPM; este último está representado en EE. UU. por Rollomatic, Rush Machinery y Toolroom Solutions. Si bien Haimer y MPM afirman tener la misma capacidad impresionante para reducir el desequilibrio en un 98 por ciento y lograr grados de calidad de hasta G0.4, las empresas adoptan diferentes enfoques electromecánicos.

Haimer utiliza "tecnología resistente, con sensores de fuerza centrífuga que miden la fuerza que se aplica contra el husillo a medida que gira el conjunto del portaherramientas", explicó Holden. Por el contrario, MPM presenta un cojinete blando, lo que significa que el husillo puede tambalearse un poco. Los sensores de aceleración miden el desplazamiento de la vibración causado por la rotación de un rotor desequilibrado, dijo Marx.

La ventaja del enfoque de Haimer es doble, según Holden. "Uno, puede calibrar la máquina en sí. No se requiere una calibración de herramienta específica", explicó, y señaló que tanto los adaptadores como los tipos de herramientas se pueden cambiar sin tener que volver a calibrar (a menos que se mueva la máquina).

En segundo lugar, la máquina no se ve afectada por vibraciones de fuentes externas. "Está literalmente midiendo las fuerzas de rotación aplicadas contra el husillo", dijo Holden. "Obtiene resultados consistentes y repetibles".

La máquina Haimer es una unidad base de fundición Meehanite de 1200 libras, explicó Holden, con una base similar a la fundición utilizada para una máquina herramienta.

Desde la perspectiva de MPM, eso es una desventaja. El sistema de la competencia cuesta más (en igualdad de condiciones) y debe moverse con una carretilla elevadora, según Marx, mientras que el MPM puede transportarse a mano y colocarse en un banco resistente junto a un centro de mecanizado. En otras palabras, dijo, la unidad MPM funciona bien en presencia de vibraciones en el taller. Si bien una máquina MPM debe calibrarse con más frecuencia, como al comienzo de un turno o al cambiar los tipos de portaherramientas, este es un proceso rápido y fácil, dijo Marx.

La otra ventaja del enfoque de MPM es que no requiere una máquina balanceadora separada. MPM ofrece sistemas portátiles que se pueden conectar a cualquier husillo de máquina y luego mover a otra máquina, según sea necesario. Dichos sistemas se utilizan habitualmente en rectificadoras cilíndricas.

En la planta Sandvik-Coromant de Hooper, las trituradoras de cáscara Reinecker utilizan un sistema de la competencia de Elaso.

ANCA ofrece una opción comparable para sus rectificadoras de herramientas, llamada iBalance. El proceso es "muy rápido" y no debería tomar más de cinco o seis minutos, según Thomson Mathew, gerente de producto MX y software de la compañía.

Tiene sentido incluir la amoladora debido al potencial de desequilibrio, agregó Mathew, citando todo, desde el husillo de rectificado y la mecánica del eje C hasta "el aspecto mecánico completo de dónde se montan las ruedas en el husillo".

"El sistema total podría tener algún desequilibrio que no se detectaría midiendo solo el juego de ruedas fuera de la máquina", continuó. El balanceo en la máquina también brinda la capacidad de verificar las ruedas en posiciones críticas específicas en el proceso de rectificado, dijo Mathew.

Manns respondió que es más productivo equilibrar las ruedas fuera de línea, dejando que la rectificadora produzca herramientas.

Todos los sistemas de balanceo mencionados incluyen un software que le dice al operador cómo corregir el desequilibrio agregando o quitando peso de un lugar específico. Por ejemplo, iBalance de ANCA le muestra al operador dónde agregar un tornillo con peso (o varios) a la tuerca de sujeción en el extremo del adaptador de rueda.

El enfoque se usa comúnmente en portaherramientas que tienen orificios roscados alrededor de la brida. Holden se refirió a esto como "bueno para ajustes rápidos y fáciles. La única limitación es que no tiene una gran cantidad de peso para desplazar, por lo que no puede corregir un gran desequilibrio". Es ideal para portaherramientas de ajuste por contracción, que no tienen partes móviles y generalmente están bien equilibrados, pero es posible que no se adapte a otros mandriles.

Para desafíos más difíciles, Haimer y otros ofrecen anillos elípticos. En otras palabras, el anillo en sí está desequilibrado y el equilibrador le indica dónde girarlo para contrarrestar el desequilibrio de todo el conjunto. La mayoría de los portaherramientas presentan una superficie para unir dichos anillos, pero no siempre es así, dijo Holden. MPM ofrece una tuerca de sujeción con pesos móviles. En lugar de girar un anillo elíptico, los usuarios deslizan las pesas alrededor de una pista para equilibrar el conjunto.

Como se señaló anteriormente, los grados más altos de desequilibrio se pueden abordar quitando peso del portaherramientas, ya sea mediante taladrado o fresado. Idealmente, eso se hace cuando se fabrica el portaherramientas, pero hay situaciones en las que el ensamblaje final de la herramienta deberá equilibrarse de esta manera. Aunque se puede utilizar una terminología diferente, el software que ejecuta las máquinas Haimer y MPM cubre las mismas técnicas.

Entonces, ¿deberías tomarte en serio el equilibrio? Holden dijo que a menudo les dice a los posibles clientes reacios que lo llamen en sus aplicaciones más espinosas, cuando están "tirándose de los pelos porque lo han intentado todo. Han mirado el accesorio. Han analizado el husillo, la máquina, Pensé en los avances y la velocidad, pensé en todo, y todavía no están fabricando buenas piezas ni logrando el tiempo de ciclo. Honestamente, aproximadamente el 90 por ciento del tiempo se está equilibrando".

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