Calidad en portaherramientas: cuatro factores por considerar

Los centros de mecanizado CNC no han dejado de mejorar en las últimas décadas. El diseño de estas máquinas es ahora tan flexible que, con una reconfiguración mínima, pueden aplicarse a cualquier tarea, desde la fabricación de herramientas en tiradas muy cortas hasta la manufactura a largo plazo.

Los componentes aeronáuticos que antes eran soldaduras o ensamblajes remachados ahora se tallan en aluminio macizo en centros de mecanizado de alta velocidad y gran potencia.

La producción de motores de automóviles, que antes se realizaba casi exclusivamente en líneas de transferencia especializadas, está evolucionando hacia los conceptos más ágiles que ofrecen los centros de mecanizado. Una característica esencial de estos centros de mecanizado es su capacidad para cambiar herramientas automáticamente sin necesidad de que intervenga ningún operario.

El portaherramientas proporciona la conexión estándar entre las distintas herramientas de corte y el husillo del centro de mecanizado. Funciona prácticamente de la misma forma que un chuck de broca ajustable permite al manitas de la casa cambiar las brocas de un motor de taladro portátil.

El alojamiento del husillo de un centro de mecanizado y las zonas del mango y la brida de un portaherramientas se fabrican de acuerdo con las normas que se han desarrollado en todo el mundo durante los últimos 25 años. En su mayor parte, estas normas están bien pensadas y, si tanto el husillo como el portaherramientas se ajustan a la norma, el resultado será una conexión sólida y concéntrica entre el husillo y el portaherramientas.

Debido a su configuración estándar y al lento ritmo de innovación de los sistemas portaherramientas en relación con las máquinas a las que sirven, la percepción persistente entre algunos usuarios de centros de mecanizado es que los portaherramientas tienden a ser “artículos de consumo”.

Dado el número de fabricantes de portaherramientas que compiten con éxito en el mercado actual, es fácil llegar a la conclusión de que se trata de una mercancía. Pero algunos usuarios finales no aceptan esta teoría. Si bien es cierto que todos los portaherramientas de un tipo específico pueden parecerse, no todos son iguales.

Diferencias en la calidad de los portaherramientas

¿Qué hace que una cosa sea mejor que otra? En la mayoría de las aplicaciones metalmecánicas, la diferencia entre una pieza buena y un desecho suele ser una pequeña fracción de pulgada en una dimensión crítica.

Del mismo modo, diferenciar un portaherramientas de alta precisión es una cuestión de adherencia a las tolerancias de manufactura.

1. Concentricidad

El significado de la primera afirmación es claro. La herramienta de corte debe girar exactamente sobre el eje de rotación del husillo de la máquina-herramienta. Los medios para conseguir esta concentricidad casi perfecta también están claros, pero son complejos.

Para empezar, el vástago cónico del portaherramientas debe asentarse dentro del correspondiente cono del husillo con gran precisión cada vez que se inserte. Para ello, las superficies de acoplamiento deben ajustarse a tolerancias de ángulo de cono muy estrictas. Estas tolerancias están especificadas y publicadas por comités de normalización nacionales e internacionales y, en general, hay disponibles para su reseña por cualquier persona.

Los portaherramientas bien fabricados se miden en cuanto a redondez y ángulo cónico en calibres calibrados por calibres maestros duros. Los métodos que se utilizan para calibrar la producción varían desde los mecánicos de contacto duro, los analógicos de contacto duro/electrónicos hasta las técnicas analógicas sin contacto (como los calibres de aire). Todos pueden ser eficaces. El denominador común de estos métodos es el calibre maestro duro utilizado para la calibración.

Existe una clara variación entre los calibres maestros de los distintos fabricantes de portaherramientas. Esta firme afirmación se basa en la medición de cientos, si no miles, de portaherramientas fabricados por muchos fabricantes diferentes a lo largo de muchos años. En pocas palabras, varían.

Si se supone que todos los portaherramientas del mercado se ajustan a los calibres de su fabricante correspondiente, se deduce que los calibres maestros utilizados por los distintos fabricantes no son los mismos.

El problema es que esta situación provoca variaciones en el ajuste del husillo de un fabricante a otro. La razón es fácil de entender. No existe un calibre “Grandmaste” para los conos estándar. El Instituto Nacional de Normalización y Tecnología (NIST) de Gaithersburg, Maryland, y laboratorios de metrología altamente cualificados, como el de Timken Corporation, pueden medir con precisión los conos de las mesas rotativas en determinadas circunstancias. Pero no existe un único calibre duro de referencia que pueda autentificar fácilmente otros calibres duros del mismo tamaño y conicidad.

Sin una única fuente o calibre maestro a partir del cual trazar todos los calibres, es comprensible que existan variaciones en la conformidad con las dimensiones estándar de una pieza a otra en el mercado y que estas variaciones puedan afectar a la calidad del ajuste del husillo. Profundicemos un poco más en este tema.

Recuerde que seguimos tratando el tema de mantener la herramienta en la línea central del husillo. Incluso si el problema de la confusión del ajuste del husillo se resolviera pronto, el problema se traslada al extremo del portaherramientas.

En este punto, el usuario final tiene aún más motivos para perder la confianza porque ahora no existe ninguna norma nacional o internacional de referencia. El ajuste cónico del husillo y el portaherramientas y la función de cambio de herramienta han sido especificados por organizaciones de normalización como ISO, ANSI, JIS o DIN, pero en el otro extremo, donde el cortador se ajusta al portaherramientas, los fabricantes de portaherramientas están solos.

Ellos son los únicos que fijan las tolerancias de los diámetros interiores de los portafresas, los ángulos de los conos de los collet chucks y la cuadratura de las caras de los adaptadores de las fresas de mango. Solo ellos fijan la tolerancia de la concentricidad de estos elementos de sujeción en relación con el vástago cónico que se acopla al husillo de la máquina. Solo los fabricantes de portaherramientas pueden fijar sus máquinas para que las superficies de acoplamiento se mecanicen con el vástago cónico, con la interfaz del husillo como superficie de registro.

Antes de finalizar el debate sobre la concentricidad, hay otra variable más general que debe tenerse en cuenta. Esta variable es la capacidad innata del fabricante para fabricar productos no sólo buenos, sino buenos de forma constante. Dentro de cualquier industria, hay variaciones entre los fabricantes en cuanto a la capacidad de hacer productos de alta calidad día tras día.

En sus propios círculos empresariales, puede nombrar competidores y proveedores buenos y no tan buenos. Suele haber una empresa modelo en cada mercado y los buenos fabricantes se esfuerzan por alcanzar ese estatus.

Por lo tanto, en lo que respecta al primer atributo y el más crucial de un buen portaherramientas, la concentricidad, hay buenas razones para creer que es probable que existan variaciones en la calidad de los portaherramientas de un fabricante a otro en términos de calibrado, normas de producto, tolerancias y capacidad de manufactura.

2. Fuerza de retención

Aquí es donde los partidarios de la “teoría de la mercancía” se apuntan un tanto. Por si nadie se ha dado cuenta, la mayoría de los portaherramientas fabricados según una norma determinada son muy parecidos. Ya sean CAT, BT o HSK, se fabrican como portafresas de bloqueo lateral que utilizan un tornillo de fijación contra la parte plana de la herramienta para evitar que ésta se suelte.

Pueden estar hechos para aceptar collet estándar que permiten que el portaherramientas sea más adaptable a una variedad de diámetros de herramienta. Pueden estar especializados para sujetar herramientas de roscado o brocas cónicas Morse. Y hay muchos más. El hecho es que prácticamente todos los fabricantes de portaherramientas CNC ofrecen una solución para facilitar el uso de la mayoría de las herramientas de corte en la mayoría de los husillos de las máquinas.

La principal fuente de variabilidad en la fuerza de sujeción, la capacidad de evitar que la herramienta de corte gire en el portaherramientas, se produce cuando se emplean pinzas. Normalmente se prefieren las pinzas de un solo ángulo, como las series ER y TG. Las pinzas de un solo ángulo ejercen más fuerza de sujeción y tienden a ofrecer una concentricidad superior. Pero las pinzas, al igual que los portaherramientas, varían mucho de un fabricante a otro.

Para obtener la mejor concentricidad posible de un portaherramientas, una pinza y un ensamblaje de herramienta de corte, es esencial disponer de un medio para medir la concentricidad, ya sea con un calibre especializado o con un preajustador de herramientas de alta calidad. Cuando el objetivo es obtener la mejor combinación de fuerza de sujeción y concentricidad, deben utilizarse portaherramientas hidráulicos o termorretráctiles para eliminar por completo el collet.

Algunos fabricantes ofrecen versiones de alta resistencia de portaherramientas de pinza y portafresas para aplicaciones extremas. Pero con la posible excepción de la tecnología hidráulica y termorretráctil, la mayoría de los fabricantes han hecho un trabajo eficaz copiando las líneas de productos de los demás, de modo que hay una increíble uniformidad en la apariencia de los portaherramientas en el mercado.

Las diferencias radican en la correcta ejecución, lo que nos lleva de nuevo a las conclusiones anteriores: hay diferencias en el calibrado, las normas internas, las tolerancias y, sobre todo, la capacidad de manufactura. En pocas palabras, no todos los portaherramientas son iguales.

3. Un ejemplo de calibrado

He aquí un ejemplo que ilustra la variabilidad del calibrado. Hace seis años, cuando nuestra empresa empezó a fabricar portaherramientas según la nueva norma HSK, el primer paso fue adquirir los calibres necesarios.

A medida que se obtenía acceso, se midió una amplia variedad de productos HSK producidos por fabricantes de la competencia (en aquellos días, la mayoría europeos) en relación con los calibres maestros que obtuvimos de Alemania. Los resultados fueron terribles. Ninguna de las piezas medidas estaba dentro de la tolerancia. Con lo que sólo puede describirse como un sano caso de paranoia, se compró un nuevo calibre patrón a otro fabricante alemán de calibres. Sorprendentemente, ambos calibradores coincidían exactamente. La diferencia estaba en la manufactura. Aunque fabricar soportes conformes a la norma HSK no es tarea fácil, el resultado debería haber sido mejor.

Todos los artículos fabricados tienen tolerancias, que son básicamente la medida de la variabilidad de la manufactura: a menor variabilidad, mayores tolerancias.

Por lo tanto, la anécdota anterior no niega que todos los portaherramientas considerados fueran funcionales en algún nivel o en algunos husillos. Pero el fabricante de portaherramientas no tiene forma de controlar el uso final de un portaherramientas. No es competencia de un fabricante de portaherramientas desviarse materialmente de una norma si el producto se pone a la venta con arreglo a esa norma.

4. Equilibrio

Cada vez son más los centros de mecanizado que se venden hoy en día equipados con husillos diseñados para funcionar a velocidades máximas de 10,000 rpm o superiores. Las herramientas de estas máquinas no sólo deben ser concéntricas y resistentes, sino que deben estar equilibradas con la misma precisión que los husillos en los que están instaladas.

De lo contrario, se producirán vibraciones no deseadas que provocarán vibraciones y, en última instancia, reducirán el acabado superficial y la vida útil de la herramienta de corte. En casos extremos, cuando los desequilibrios son grandes, pueden producirse daños en el husillo. Se ha escrito mucho sobre la física del equilibrio del portaherramientas en los últimos años y no es necesario repetirlo aquí.

Un punto importante, sin embargo, es que la fuerza generada por una condición de desequilibrio dentro de un ensamblaje herramienta/portaherramientas es proporcional al cuadrado de la velocidad del husillo.

Las fuerzas insignificantes generadas a 1,000 rpm son cien veces mayores a 10,000 rpm y cuatrocientas veces mayores a 20,000 rpm. La necesidad de una concentricidad excelente también es más importante a velocidades de husillo elevadas, ya que si la herramienta no gira sobre la línea central del husillo, se convierte en una fuente principal de desequilibrio adicional.

Las fuentes de desequilibrio en los portaherramientas suelen ser funcionales, como los tornillos de bloqueo en los portafresas o las ranuras de accionamiento de profundidad desigual en los portaherramientas CAT. A menudo, sin embargo, son aleatorias debido a cualquier número de razones.

En cualquier caso, se requiere la remoción de material para compensar el desequilibrio y efectuar la corrección. Otras soluciones al problema del equilibrado implican el uso de portaherramientas equilibrables que permiten al usuario final compensar los desequilibrios del portaherramientas mediante la manipulación de tornillos de fijación situados radialmente o anillos de equilibrado.

En estos casos, para corregir los desequilibrios en los portaherramientas es necesario localizar y cuantificar el desequilibrio, lo que, a su vez, requiere el uso de un balanceador sofisticado. En algunos casos, el taller prefiere utilizar portaherramientas precalibrados obtenidos de una fuente fiable y utilizados en combinación con herramientas de corte de alta calidad como alternativa rentable a la compra y operación de una máquina balanceadora.

No pase por alto los portaherramientas

Existen varios ejemplos en los que las mejoras en el ajuste, la concentricidad y el equilibrado del husillo han facilitado operaciones de mecanizado difíciles. En Gem Tool, un fabricante de moldes de Minneapolis, un simple cambio en los sistemas de collet de un diseño de doble ángulo a uno de un solo ángulo de la serie DR20 mejoró la concentricidad y la repetibilidad en los cambios de herramienta, aumentando la vida útil de la herramienta y la precisión.

En Boeing (Everett, Washington), se mecanizó con éxito un banco de fresadoras de 30,000 rpm para el mecanizado de paneles compuestos. Para estos collet chucks, se diseñaron unas boquillas especiales que mejoraban aún más el equilibrio y la concentricidad, ya que las herramientas eran muy pequeñas y casi no tenían tolerancia al desequilibrio.

En otro fabricante de Minnesota, una operación de mandrinado de un solo punto produjo varios cientos de miles de agujeros con un solo inserto de diamante. La tolerancia del agujero era de tres diezmilésimas (0.0003) de pulgada. La precisión del ajuste del husillo era de absoluta importancia para lograr esta hazaña a lo largo de tantos cambios automáticos de herramienta.

Algunos de estos ejemplos son extremos y otros, como el cambio de serie de collet, no lo son. La cuestión es la siguiente: En los casos extremos, la producción no habría sido posible de no ser por el ajuste preciso del husillo y la concentricidad, junto con el equilibrio.

Aunque estos conceptos prácticamente permiten aplicaciones extremas, las ventajas que generan se trasladan a la operación diaria en el taller. El ajuste exacto del husillo da como resultado la repetibilidad pieza a pieza y facilita el mantenimiento de las tolerancias en una tirada de producción, por lo que resulta menos costoso de conseguir.

La concentricidad equilibra la carga de viruta por diente en las herramientas de corte y las hace más duraderas. Esto reduce los costos de las herramientas y el tiempo de inactividad. El equilibrio garantiza que se pueda utilizar toda la capacidad de la máquina herramienta para producir virutas y, al hacerlo con eficacia, reducir el tiempo de ciclo.

Los fabricantes de precisión que buscan reducir la variabilidad del proceso deben considerar un diferencial de coste incremental para un portaherramientas de calidad. Un portaherramientas mejor puede reducir los gastos en herramientas de corte y los tiempos de inactividad de la máquina, al tiempo que aumenta la producción por hora.

Sobre el autor: Dan Chartier es ingeniero consultor de Command Tooling Systems, con sede en Ramsey, Minnesota.