Control de calidad para herramientas de corte: Eslabón central en una cadena de producción actual

Para nadie es un secreto que las empresas latinoamericanas están en mora de aumentar notablemente su capacidad de producción de piezas de mayor nivel de complejidad y precisión. Esto debido, entre otros motivos, a que su apertura a mercados globales está haciendo que productos fabricados en la región que antes eran protegidos mediante diferentes políticas arancelarias, están entrando poco a poco a competir de manera directa con productos fabricados en países con alto nivel de industrialización. Por otro lado, es un hecho que gracias a la instalación de nuevas plantas de producción por parte de grandes multinacionales en países como México, en el caso de la industria automotriz y aeronáutica, genera la oportunidad para el gremio industrial de proveer a estas nuevas plantas con productos fabricados en la región, idealmente, con el mayor valor agregado posible.

Encuestas realizadas a empresarios latinoamericanos, como la última publicada por el portal Metalmecanica.com, muestra una tendencia clara de los industriales a invertir en nuevas tecnologías (52% de los encuestados), aún cuando la mayoría de los equipos con los que fabrican sus productos hoy en día son tornos y fresadoras convencionales.

Teniendo en cuenta que la calidad de las piezas depende de manera crucial de su precisión dimensional, es importante saber que ésta a su vez, no solo depende de la máquina herramienta como tal, sino también de valores como desviaciones del valor nominal de la herramienta de corte, excentricidad tanto de la herramienta como de su sujetador, además de fallas en la herramienta misma, como la pérdida o daño de filos de corte. 

La instauración de un proceso de medición y pre-configuración de herramientas de corte, además del reconocimiento temprano de herramientas defectuosas, reduce notablemente el número de piezas defectuosas, gracias a la posibilidad de confirmar y pre-configurar las herramientas de corte en el rango de 1 µm. Debe recordarse de la teoría básica de fabricación, que si un proceso de manufactura debe alcanzar, por ejemplo, una precisión de 1/100 mm (10 µm), las herramientas con las que se va a fabricar deben ser configuradas con una precisión un orden de magnitud mayor, es decir 1/1000 mm o 1 µm.

Para un industrial es claro, que la instauración de centros de mecanizado CNC en sus plantas representa una gran inversión para su empresa bajo la promesa de remover material rápidamente y la habilidad de producir piezas intrincadas. Sin embargo, una inversión de este tipo solo es rentable cuando las máquinas están fabricando piezas que no serán rechazadas por el departamento de control de calidad y mucho menos por el cliente. En gran cantidad de talleres, muchas de estas máquinas herramienta CNC permanecen en estado improductivo por horas, debido a que la medición y configuración tanto de las piezas como de las herramientas sigue haciéndose manualmente.

Una manera de reducir estos tiempos muertos de manera drástica, además de mejorar la calidad de las piezas que salen de los centros de mecanizado, es mediante la automatización de los procesos de medición de herramientas de corte usando la gran cantidad de opciones existentes en el mercado para su control de calidad.

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Existen fundamentalmente dos tipos de sistemas de medición de herramientas para escoger. Los sistemas que miden con contacto y las que lo hacen sin contacto físico con la herramienta de corte. Entre los sistemas de medición y configuración de herramientas con contacto se encuentran de manera general los comparadores de carátula y tanto probadores rígidos como de fibras. Este tipo de sensores se denomina también como mecánico o táctil.

Entre los sistemas de medición sin contacto, se habla por lo general de sistemas ópticos. En este rango se usan por lo general cámaras con sensores CCD y algunas veces de tipo CMOS. Los sistemas láser se usan principalmente en aparatos de medición dentro de la máquina herramienta, por ejemplo para control de falla de filos de corte, pero esporádicamente se pueden encontrar en sistemas externos como sistema opcional en máquinas multisensor.

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Medición con contacto dentro de la máquina herramienta
Existen en el mercado dispositivos de medición que se instalan dentro del área de trabajo en la máquina herramienta, pero que no necesitan ser conectados a través de cables con los centros de adquisición de datos. Algunos de ellos envían los datos a través de ondas de radio. Un ejemplo de este tipo de dispositivos de control de calidad de herramientas es la serie RMI-Q de Renishaw, que puede transferir los datos de hasta 4 galgas de la serie RTS hasta 15 m de distancia, haciéndolo particularmente interesante para máquinas de gran tamaño. Este sistema permite tomar los datos de configuración de la herramienta, detectar el rompimiento de las mismas, al igual que de ser necesario, puede ser usada para verificar la configuración de la pieza en la mesa de trabajo mediante galgas táctiles instaladas en el cabezal. El uso de este tipo de herramientas inalámbricas es altamente aconsejable en maquinaria donde la mesa de trabajo gira en uno o dos ejes, siendo estas situaciones donde claramente el uso de cables de conexión se vuelve un reto complejo.

Medición de herramientas sin contacto dentro de la máquina herramienta

Un tema crucial a la hora de fabricar piezas con alta precisión, es poder determinar un valor de compensación, para efectos de deformaciones por temperatura, cambios dimensionales en la herramienta por desgaste o falla, entre otros, y que estos puedan ser comunicados al controlador de la máquina para que los tome en cuenta y recalcule las trayectorias necesarias para mantener el resultado deseado.

Entre las ventajas que se pueden obtener de este tipo de sistemas sin contacto dentro de la máquina, están los cortos tiempos de medición y el hecho de que directamente en una medición se están teniendo en cuenta la longitud y diámetro de las herramientas con las expansiones y excentricidades de los mecanismos de agarre de las herramientas y los cabezales. Además de esto, pueden medirse herramientas con diámetros de hasta 30 µm directamente a la temperatura de operación real, no hay que realizar cortes de prueba, típicos en sistemas convencionales en los que se pierde precioso tiempo de producción, además de arriesgar las herramientas y en el peor de los casos, también la pieza de trabajo.

Los programas que manejan los equipos de medición sin contacto instalados en las máquinas, como los de la serie NC de Renishaw, tienen funciones interesantes y de gran utilidad, como la medición estática de la longitud de herramientas como brocas, tarrajas, la medición de longitud con el cabezal en rotación, para fresadoras, por ejemplo; al igual que protocolos automáticos para medir la geometría de los filos de corte de las herramientas y revisar el perfil de los mismos para investigar si puede haber fallas o desprendimientos en alguno de ellos.

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Al momento de elegir estos sistemas, es importante tener en cuenta su capacidad de trabajar bajo la influencia de chorros de fluido de corte y aire comprimido. Para esto se hacen necesarios métodos de protección del orden de IP68 y sistemas de limpieza de los componentes ópticos, para limpiar gotas de aceite que hayan podido caer y generar mediciones erróneas.

Máquinas de pre-configuración y medición externas a la máquina herramienta
Un sistema eficiente de pre-configuración (coloquialmente llamado “pre-seteo”, del inglés pre-setting) y medición externa incrementa la productividad y la rentabilidad de un taller de manufactura. Al realizar estas tareas de manera paralela al trabajo de corte, se ahorran valiosas horas de trabajo en la máquina de corte. El tiempo de montaje se optimiza, los tiempos muertos de la máquina se reducen notablemente y los tiempos de duración de la herramienta se aumentan.
Entre los tipos de máquinas de medición por sistema óptico se encuentran aparatos de ajuste completamente manual, en los que se ubica la cámara sobre la herramienta mediante sistemas de tornillos sinfín de alta precisión. Por otro lado, las empresas que buscan una mayor productividad en sus tareas, pueden adquirir este tipo de máquinas con ejes motorizados, e incluso para la mayor precisión y velocidad en la medición de grandes cantidades de herramientas, existen máquinas con motores lineales.

Según el Prof. Dr.-Ing. I. M. Kenter, del instituto IPF de la Universidad de Ciencias Aplicadas de Bremen, las ventajas y desventajas principales de un centro de medición y pre-configuración externo pueden resumirse de esta manera:
Ventajas

• Mayor precisión de las herramientas
• Mayor durabilidad de los filos de corte
• Menores costos en herramientas
• Menor cantidad de estrellones de la máquina
• Menor cantidad de desechos
• Mayor calidad de las piezas fabricadas
• Procesos automáticos
• Documentación y control de las pruebas
• Flexibilidad gracias a máquinas universales

Estas ventajas tienen un efecto directo o indirecto sobre los tiempos de fabricación y con esto en los costos de manufactura de un producto.
Sin embargo, puntualiza el académico, que sobre todo para pequeñas empresas, existen las siguientes desventajas:

• Costos de inversión por las máquinas
• Costos de mantenimiento
• Costos por entrenamiento de personal

Como es el caso para toda inversión, es necesario que cada empresa cuantifique de manera juiciosa los costos escondidos no solo tras la producción de piezas defectuosas, sino tras los tiempos perdidos por manejos de garantías, reclamos, el detrimento de la imagen corporativa debido a la producción de piezas de baja calidad o por el incumplimiento de tiempos de entrega, entre muchos otros. Este tema está descrito en las teorías de “Costo de la Baja Calidad”, más conocido como COPQ (Cost of Poor Quality).

Procedimiento fundamental de medición externa de herramientas
Antes de que se pueda fabricar una pieza en una máquina herramienta, esta debe prepararse correctamente. Esto significa entre otras, que las herramientas deben estar en el magazín, las prensas deben estar montadas y alineadas, los sujetadores de herramienta deben instalarse y medirse, se debe cargar el programa de fabricación, etc. Para que las herramientas estén disponibles, estas deben configurarse primero. Dependiendo del tipo de herramientas, el montaje o configuración incluye el ensamble de diferentes componentes de la herramienta, como los insertos de corte, el collar de agarre, el sujetador, entre otros. Tras ser ensamblado, este conjunto de piezas debe medirse completamente, debido a que la suma de los pequeños errores de alineación entre partes, genera un valor distinto cada vez que se realiza. Este es el proceso que tiene lugar en una máquina de medición y pre-configuración de herramientas externo. Debido a que cada máquina de medición externa tiene un sujetador de herramientas estandarizado fijo, por ejemplo un sujetador cónico SK50, debe usarse un adaptador de alta precisión para los diferentes tipos de sujetadores típicos en el mercado. Por ejemplo, en el caso de herramientas de torneado, es frecuente encontrar sujetadores tipo VDI30, o del tipo SK40 para herramientas de fresado. Es importante, que para cada proceso de medición, se incluya también la recopilación de datos geométricos de los adaptadores. Para esto, normalmente se usan esferas de calibración, presentes en cada una de las piezas como referencia para los aparatos de medición.

Una vez, el adaptador se ha medido y los datos se incluyen en la base de datos, se procede a medir la herramienta, colocando la cámara con el fin de enfocar y medir los filos de corte. Los datos de corrección de cada herramienta, son generados en forma de lista, al igual que normalmente impresos para que se pueda dar una trazabilidad completa del procedimiento. Una vez, esta lista de datos sea enviada a la máquina herramienta CNC, con el lenguaje de control adecuado, puede comenzar el proceso de fabricación.

Medición independiente del operario
Para nadie es un secreto que toda medición está altamente influenciada por la capacidad y el criterio del operario a cargo de la tarea. Los errores de tipo estocástico que tienen que ver con esta realidad afectan la calidad y productividad de la empresa de manera notable. Un error de medición en el diámetro de una herramienta para el acabado superficial de una pieza puede tener resultados catastróficos, pudiendo llegar incluso a tener que desechar el producto completamente. Este tipo de problemas puede evitarse al instaurar un sistema automático de medición de buena calidad, ya sea por procedimientos ópticos o táctiles, que utilice en todo momento los mismos estándares bajo condiciones ambientales reproducibles.
Entre los aspectos de gran importancia a la hora de pensar en un sistema de medición y pre-configuración automático de herramientas está el del Software de medición usado por el equipo. Además de permitir de manera sencilla la configuración de cada medición, el programa debe permitir guardar los datos medidos de la herramienta y enviarlos a las máquinas CNC. Para esta transmisión, el programa debe efectuar la traducción correspondiente a los diferentes sistemas de control existentes. En muchos casos, los fabricantes de máquinas herramienta, ofrecen sistemas de medición diseñados para “entenderse” mutuamente sin necesidad de efectuar operaciones intermedias con los datos, las cuales también están sujetas a posibles errores. Esto es típico en empresas que aún no tienen instalados sistemas de servidores DNC (Distributed Numerical Control), en los que los datos de programación para las máquinas CNC se guardan en un servidor central.

Una desventaja crucial de no tener un sistema de base de datos central para los resultados de medición de las herramientas, es que se pierde la oportunidad de guardar datos de su configuración automáticamente (como vida útil, peso, velocidad rotacional máxima, entre muchos otros) desperdiciando así información que debe utilizarse para analizar los procesos y lograr una mayor confiabilidad en la fabricación.

Artículo proveniente de la revista impresa con el código: RI831calidad.