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03/04/2017 | 6 MINUTOS DE LECTURA

Compensación volumétrica para aplicaciones aeroespaciales

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Präwest necesitaba mejorar la precisión de la máquina-herramienta. El LeaseTrader-NG de Etalon y el sistema KinematicsComp de Heidenhain le permitieron al taller producir piezas de trabajo dimensionalmente precisas sin necesidad de reajustes.

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Präwest Präzisionswerkstätten, empresa ubicada en Bremen, Alemania, comenzó a fabricar sus propias fresadoras de seis ejes con ejes paralelos con el fin de implementar una sofisticada estrategia de manufactura para el fresado de piezas complejas de cinco ejes. Sin embargo, aunque estas máquinas estaban bien construidas, su exactitud geométrica no satisfacía los requerimientos. Al capturar las desviaciones volumétricas de las máquinas-herramienta con el LaserTracer-NG de Etalon AG (que tiene una subsidiaria en América del Norte en Kirkland, Washington) y compensarlos por medio de la opción de software KinematicsComp en los controles de la máquina de Heidenhain Corp., Präwest puede proporcionar piezas de trabajo con medidas exactas y sin necesidad de reajuste alguno.

Como fabricante contratista, entre cuyos clientes están MTU, Rolls-Royce y Mitsubishi Heavy Industries, Präwest produce rodetes, blisks, álabes de turbina y componentes estructurales aeroespaciales. La empresa también produce piezas para el sector de petróleo y gas.

“Solamente fabricamos piezas con características complejas”, dice Gaylord Klammt, jefe del área de negocios de industria. “Todo lo que el mercado considera excepcional sería un problema estándar para nosotros”. Por ejemplo, las piezas a menudo son extremadamente grandes y pesadas e incluyen geometrías complicadas; están hechas de materiales difíciles de mecanizar, como el Inconel 718;  o requieren procesamiento adicional, como recubrimiento con cromato o tratamiento térmico, incluso para un tamaño de lote de una pieza. A menudo es necesario utilizar varios centenares de herramientas, incluyendo herramientas de fresado con longitudes de 900 mm, así como 60 programas o más para tornear una sola pieza de trabajo en la forma y dimensiones deseadas, explica.

Para optimizar la producción de estas piezas de alta precisión, Präwest construyó sus propias fresadoras de gran tamaño con seis ejes y ejes paralelos, pero los expertos en fresado de la empresa pronto detectaron errores sistemáticos de geometría de los ejes lineales y rotativos. Estas desviaciones pueden ser aceptables en máquinas-herramienta pequeñas con amplias tolerancias de manufactura, pero para Präwest, los errores sistemáticos procedentes de fuentes diferentes se suman a un error total inaceptable, en parte debido a los grandes movimientos en los seis ejes y en parte debido al inmenso tamaño de las herramientas.

“Al mecanizar piezas de trabajo grandes, se fresan diferentes sectores y al final todos se encuentran en el medio. Muchas partes requieren inversión y reapriete durante la fabricación, lo que también conduce a la imprecisión. Cuando se produce un desajuste, nuestro personal tiene que volver a trabajar la pieza o ajustar la programación, lo que cuesta dinero y tiempo”, dice Klammt. Debido a que produce pequeños lotes y utiliza materiales caros, Präwest no puede hacer operaciones de prueba de los programas de control numérico. En lugar de ello, necesitaba averiguar cómo producir piezas dimensionalmente precisas que miden más de 2 metros, cumpliendo a la vez con tolerancias de precisión de ± 0,05 mm (± 0,002 pulgadas) en seis ejes de movimiento.

Präwest encontró la solución en el interferómetro láser de auto-rastreo de Etalon, diseñado específicamente para aumentar la precisión de las máquinas-herramienta mediante compensación volumétrica. Con la tecnología de Etalon, es posible calcular valores de compensación exactos para errores espaciales en todos los grados de libertad. Con precisión micrométrica, el sistema analiza la posición, la rectitud y los errores de rotación (cabeceo, guiñada y alabeo) y la cuadratura entre los ejes en todo el volumen de trabajo de la máquina-herramienta. Las desviaciones angulares de posicionamiento, los movimientos axiales y radiales, y la oscilación de los ejes de rotación también se registran de forma integral. Por lo tanto, el LaserTracer-NG está diseñado de forma diferente a los interferómetros láser convencionales que requieren una alineación elaborada y generar una gran cantidad de trabajo para determinar el cabeceo, la guiñada y el alabeo, según indica la compañía.

Después de adquirir datos de medición, el software de Etalon calcula los datos de compensación volumétrica. Cuando se interconecta con el controlador de la máquina, estos datos se transfieren automáticamente a la máquina.

La opción de software KinematicsComp de Heidenhain, disponible para los controles TNC 640 e iTNC 530 de la compañía, corrige la descripción cinemática de la máquina-herramienta. “El KinematicsComp permite almacenar una descripción detallada de los errores de la máquina en el control. Posteriormente, compensa automáticamente los errores de posición que resultan de errores estáticos de los ejes físicos. Considera las posiciones de todos los ejes rotativos y lineales, así como la longitud actual de la herramienta”, dice Gero Günther de Heidenhain. “Este procedimiento aumenta la precisión del punto central de la herramienta en todo el espacio de trabajo”.

Klammt invitó a Etalon y Heidenhain a realizar mediciones de prueba antes de implementar este nuevo método de medición y quedó impresionado por los resultados. “De repente, esta fresadora comenzó a producir con perfección geométrica. Además, hemos sido capaces de comprender los puntos débiles de la máquina, que fue un verdadero avance en cuanto a la calidad de fabricación, la precisión del contorno y la fiabilidad del proceso. Después de la medición de prueba, rápidamente decidimos adquirir un sistema LaserTracer-NG más el KinematicsComp”, afirma.

El interferómetro de alta resolución LaserTracer-NG sigue automáticamente un reflector y mide continuamente la distancia hacia él. La precisión del centro de rotación del sistema se realiza mediante una esfera reflectante con una incertidumbre de forma inferior a 0,1 micras. La guía de viga asegura que esta esfera pueda servir como referencia para la medición del desplazamiento interferométrico, que se realiza con alta precisión dimensional al punto central de la herramienta (TCP), según la compañía. En consecuencia, las desviaciones mecánicas de los ejes de rotación y de giro también se adquieren con alta precisión. La medición de incertidumbre para el desplazamiento espacial (95 por ciento) asciende a 0,2 micrones + 0,3 micras por metro.

Según Stephan Kunath, jefe de máquinas-herramienta industriales en Präwest, el entrenamiento de Etalon les ayudó a convertir las medidas aparentemente complejas en una rutina para él. Dice que puede hacer la compensación entera de una gran máquina de seis ejes por su cuenta en un período muy corto de tiempo. Primero, coloca el compacto LaserTracer-NG en la máquina varias veces sin ninguna alineación fina particular. En lugar de una herramienta, se sujeta el reflector en el husillo. Entonces, el sistema de medición está listo para iniciar el proceso de medición automatizado y el seguimiento de la trayectoria real de la máquina en todo su volumen de trabajo. Los programas NC necesarios son generados automáticamente por el software de Etalon, y las distancias respectivas al punto central de la herramienta se determinan interferométricamente. El sistema Etalon transfiere los datos registrados al software de medición Trac-Cal conectado, el cual analiza automáticamente esos datos y transfiere los valores de compensación volumétrica al controlador iTNC 530 de Heidenhain a través del KinematicsComp.

Präwest realiza la compensación volumétrica en intervalos predefinidos y por demanda. Por ejemplo, cuando se descubren desviaciones en etapas preliminares de producción que no pueden resultar de otros procesos, la compañía realiza una compensación volumétrica, dice Klammt. Anteriormente, los ajustes iterativos eran parte del proceso. Hoy, el LaserTracer-NG y KinematicsComp hacen que esto sea innecesario, comenta.

Realizar compensación volumétrica en fresadoras ha mejorado la precisión geométrica de la pieza de trabajo, particularmente cuando se usan piezas complejas, dice Klammt. “Estamos hablando de dimensiones que nunca hubieran sido posibles con otros métodos”.

Gracias a la precisión de mecanizado mejorada, Präwest planea comenzar la fabricación de prototipos para la industria aeroespacial. “Nuestros clientes anhelan la más alta precisión. Mientras tanto, queremos mantener nuestra rentabilidad”, dice Klammt. “Gracias a la compensación volumétrica, estamos en condiciones de lograr la máxima calidad en la producción con un esfuerzo manejable, incluso en el caso de tolerancias geométricas extremadamente ajustadas. La tecnología nos ayuda a mantener nuestra reputación como fabricante de alta precisión”.

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