Es hora de tomarse en serio el equilibrio de herramientas

Apuesto a que equilibras tus neumáticos. 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 corriendo a bajas velocidades. Después de todo, cuando circula por la carretera, los neumáticos de su automóvil sólo giran a 700-900 rpm. Lo más probable es que se deba a que muchos profesionales de la fabricación subestiman los beneficios potenciales del equilibrio de 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 herramientas equilibradas porque es la única manera de 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 de precisión, cuando la verdadera dificultad es una herramienta desequilibrada.

De hecho, Holden dijo que algunos de los mayores éxitos de Haimer se deben a que los talleres utilizan cabezas perforadoras a velocidades relativamente bajas. Recordó un ejemplo en el que el cliente redujo la velocidad a 300 rpm porque, de lo contrario, el movimiento en el cabezal de mandrinado provocaba agujeros de gran tamaño. Simplemente equilibrando la herramienta, la empresa pudo obtener la precisión requerida y "hacer funcionar la herramienta a 1200 rpm con cuatro veces la velocidad de avance", añadió 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 4.000 rpm deben equilibrarse, al igual que todas las herramientas de diamante policristalino (PCD). Mientras tanto, las herramientas de una sola flauta y de una sola punta (incluidos muchos cabezales aburridos) están inherentemente desequilibradas, por lo que casi siempre también son “imprescindibles”, según Marx.

Las herramientas de portabilidad complejas y las herramientas con múltiples inserciones en ángulos impares también son candidatas obvias para el equilibrio.

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

Manns señaló que las herramientas con un número impar de canales no son simétricas, incluso si están igualmente indexadas. “Es el corte. Si se trata de una herramienta de tres flautas, normalmente tendrá un diente largo y dos cortos. Tiene más cortes en los dientes largos que en los cortos. Y esto crea un desequilibrio en el extremo de la herramienta”.

El tamaño y la velocidad importan, continuó Manns. "Cuando se utiliza una herramienta de hasta media pulgada, cinco octavos y tres cuartos de pulgada, hay bastante diferencia en el material que se retira del extremo para cortar".

Curiosamente, Holden dijo que se ha topado con casos de fresas de carburo sólido, de dos canales y de gran diámetro, aparentemente simétricas, que estaban significativamente desequilibradas. Atribuyó esto a que el fabricante de herramientas se centró en lograr un filo perfecto y se olvidó de rectificar flautas idénticas.

El equilibrio también puede ser la solución a un problema aparentemente no relacionado. Holden contó el caso de una empresa automovilística que compró conjuntos de portaherramientas estrictamente preequilibrados para la producción de motores. “Su impresión decía que el conjunto de la herramienta tenía que llegar equilibrado con un grado de calidad de G2,5 a 15.000 rpm. Pero no tenían forma de comprobarlo”.

La empresa no tenía máquinas que funcionaran a más de 8.000 rpm, pero su tasa de cambio de herramientas no planificado fue del 57 por ciento durante la producción.

Luego, el fabricante de automóviles compró un equilibrador 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 sólo el 7 por ciento, dijo Holden, señalando que la empresa ahorró 250.000 dólares durante un período de prueba de seis meses.

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

Los buenos fabricantes de herramientas de corte consideran el equilibrio al fabricar la herramienta. Por ejemplo, Sandvik Coromant US, Westminster, SC, emplea un enfoque “equilibrado por diseño”, según el director 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 construido el cuerpo de la herramienta, continuó Vieiro, se equilibra en una máquina Haimer. Aproximadamente el 90 por ciento de las veces, se requiere una pequeña eliminación de material para equilibrar el cuerpo y cumplir con los niveles de calidad de equilibrio G2.5. Sandvik revisará el cuerpo de una herramienta sin insertos y el ensamblaje completo con insertos maestros utilizados solo para ese propósito, dijo Vieiro.

En el caso de las fresas de metal duro, parece que se presta menos atención a garantizar el equilibrio de la herramienta. La marca Walter de United Grinder 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 sólo 0,5 mm, dijo Manns.

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

Las herramientas de corte equilibradas brindan a los fabricantes la libertad de reemplazar las herramientas en sus soportes sin tener que reequilibrar el conjunto. Pero lo que realmente cuenta es el conjunto completo, ya que no sirve de nada tener una herramienta equilibrada si el portabrocas está desajustado.

Incluso podría tener una herramienta equilibrada en un mandril equilibrado y descubrir que el perno de tracción la desequilibra. Holden describió un escenario desafortunado en el que un operador pulió un piso con una herramienta de corte perfectamente equilibrada porque necesitaba ejecutarla en un soporte Weldon. Una situación así grita "¡reequilíbrala!" Marx sostiene que una herramienta debe reequilibrarse incluso después de cambiar un solo inserto.

El disco es la herramienta en las operaciones de rectificado y el equilibrio es igualmente importante si se intenta maximizar la vida útil del disco y del husillo y, al mismo tiempo, obtener el mejor acabado superficial de una pieza. Por otro lado, al igual que ocurre con las herramientas de corte, puedes salirte con la tuya si no eres demasiado exigente con estos factores.

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

Pero tanto Manns como Jack Hooper, ingeniero senior de procesos de Sandvik Coromant, dijeron que la calidad de los discos de rectificado de herramientas actuales es tal que, con un rectificado adecuado, se pueden rectificar buenas herramientas sin necesidad de equilibrarlas. No son las mejores herramientas. Pero buenas herramientas.

Según Manns, existen dos casos en el rectificado de herramientas de cinco ejes que prácticamente requieren un equilibrado de la muela. El primero es en la fabricación de micro y pequeñas herramientas. "Sólo se necesita una pequeña vibración para destruir una herramienta de medio milímetro", explicó.

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

El segundo caso es el de las máquinas de erosión con husillo de doble extremo. 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 se pasa al rectificado, todo el husillo puede funcionar a 4000 rpm o más. Por lo tanto, los electrodos desequilibrados dañarán la operación de rectificado.

Hay otro voto 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 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 proporciona una base de estudio estadísticamente significativa. Equilibrar las ruedas a G2.5 a 10.000 rpm redujo el consumo de energía de la máquina en un 18 por ciento, al tiempo que aumentó la vida útil de las ruedas en un 20 por ciento y la vida útil del husillo en un 30 por ciento, 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 rectificado. OSG añadió casi 120.000 herramientas a su producción anual simplemente equilibrando sus ruedas.

Al pasar del rectificado con herramientas al rectificado cilíndrico y de superficies, 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 bruto". Debido a que las muelas abrasivas de diámetro exterior utilizadas para producir las piezas en bruto tienen un diámetro de 300 mm o más y funcionan a aproximadamente 7000 rpm, "es absolutamente fundamental que equilibres esa muela en la máquina", concluyó Hooper.

Los dos líderes del mercado de 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 impresionante capacidad para reducir el desequilibrio en un 98 por ciento y alcanzar grados de calidad hasta G0.4, las empresas adoptan enfoques electromecánicos diferentes.

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, el MPM tiene un cojinete blando, por lo que el husillo puede oscilar un poco. Los sensores de aceleración miden el desplazamiento de vibración causado por la rotación de un rotor desequilibrado, dijo Marx.

Según Holden, la ventaja del enfoque de Haimer es doble. “Primero, puedes calibrar la máquina misma. No se requiere una calibración de herramienta específica”, explicó, señalando que tanto los adaptadores como los tipos de herramientas se pueden cambiar sin tener que recalibrar (a menos que se mueva la máquina).

En segundo lugar, la máquina no se ve afectada por vibraciones de fuentes externas. "Se trata literalmente de medir las fuerzas de rotación aplicadas contra el husillo", dijo Holden. "Estás obteniendo resultados repetibles y consistentes".

La máquina Haimer es una unidad de base fundida de 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 trasladarse 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 cuando se cambian los tipos de portaherramientas, este es un proceso rápido y sencillo, dijo Marx.

La otra ventaja del enfoque de MPM es que no requiere una máquina equilibradora independiente. MPM ofrece sistemas portátiles que se pueden conectar al husillo de cualquier máquina y luego trasladarse a otra máquina, según sea necesario. Estos sistemas se utilizan habitualmente en rectificadoras cilíndricas.

En la planta Sandvik-Coromant de Hooper, las trituradoras de cáscaras de Reinecker utilizan un sistema competidor 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 productos de software y MX de la compañía.

Tiene sentido incluir la rectificadora debido al potencial de desequilibrio, añadió Mathew, citando todo, desde el husillo rectificador y la mecánica del eje C hasta “todo el aspecto mecánico 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 equilibrio en la máquina también brinda la posibilidad de verificar las ruedas en posiciones específicas y críticas en el proceso de rectificado, dijo Mathew.

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

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

Este enfoque se utiliza 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 tienes una enorme cantidad de peso que desplazar, por lo que no puedes corregir un gran desequilibrio”. Es ideal para soportes de ajuste por contracción, que no tienen piezas móviles y generalmente están construidos bien equilibrados, pero es posible que no admitan 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 fijar dichos anillos, pero no siempre es así, dijo Holden. MPM ofrece una tuerca de apriete 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, se pueden abordar grados más altos de desequilibrio quitando peso del portaherramientas, ya sea taladrando o fresando. Idealmente, esto se hace al fabricar el soporte, pero hay situaciones en las que el conjunto final de la herramienta deberá equilibrarse de esta manera. Aunque se puede utilizar 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 clientes potenciales reacios que lo llamen para sus aplicaciones más complicadas, cuando “se están arrancando los pelos porque lo han intentado todo”. Han mirado el aparato. Analizaron el husillo, la máquina, pensaron en los avances y la velocidad, pensaron en todo, y todavía no están fabricando buenas piezas ni logrando tiempos de ciclo. Honestamente, alrededor del 90 por ciento de las veces se está equilibrando”.

Conéctate con nosotros