Tiempos rápidos para husillos de máquinas

Mar 30, 2023

Los husillos accionados son el núcleo técnico de una máquina herramienta y proporcionan la potencia necesaria para girar las herramientas de corte que dan forma a nuestros productos y a nuestro mundo. Adjuntar uno a un movimiento de cinco ejes crea una máquina CNC avanzada. Conectar un husillo a un robot de brazo articulado crea una máquina perforadora de precisión. Adjunte uno mejorado a una máquina existente y nuevas aplicaciones cobrarán vida. En todo el espectro de usos, los clientes quieren husillos con más durabilidad, velocidad e inteligencia para ejecutar operaciones sin luz.

Las posibilidades para el uso creativo de los husillos están limitadas únicamente por la velocidad, la durabilidad y la inteligencia de los husillos actuales.

Los requisitos de los clientes comienzan con mayor velocidad y precisión, según Greg Nottoli, gerente senior de productos de NSK America Corp., Hoffman Estates, Illinois. Una de las especialidades de NSK es proporcionar husillos eléctricos y neumáticos para microherramientas. Las microherramientas son cualquier herramienta redonda de fresado o taladrado que tiene un diámetro de 1/8" (3,18 mm) o menos hasta un diámetro tan pequeño como 0,001" (0,025 mm). "Una herramienta de diámetro pequeño es básicamente un fideo húmedo, muy fácil de romper. Al girar un taladro o un molino, cuanto más pequeño sea el diámetro de la herramienta, más rápido debe girar para ser eficaz", dijo Nottoli, mientras mantiene la rigidez. Para precisión. Muchas máquinas CNC hacen herramientas estándar de torneado fino a 8.000 a 15.000 rpm. Las microherramientas a menudo necesitan subir a 42.000 rpm, según Nottoli. "Usar una microherramienta con un husillo de 8000 rpm no es óptimo, porque no se está evacuando la viruta correctamente, no se está obteniendo el metraje de superficie correcto y solo se están rompiendo las herramientas. Ahí es donde llenamos el vacío en este mercado especializado", dijo. dicho.

Según Nottoli, los husillos disponibles de NSK pueden instalarse posteriormente en cualquier máquina con un portaherramientas existente, como CAT 40, 50 o BT. "Le permite al usuario final obtener esas velocidades más altas", dijo, y agregó que estos son verdaderos husillos, no dispositivos multiplicadores de velocidad que convierten la velocidad de un husillo existente en rpm más altas. Un multiplicador de velocidad es "una caja con engranajes", dijo. Si bien puede proporcionar la velocidad y la precisión necesarias con una pérdida mínima de energía para las herramientas estándar, también introduce vibración y calor. Esos son problemas para el micromecanizado donde la precisión se especifica en submicrones.

"Tenemos husillos para centros de torneado y rectificadoras o máquinas robóticas especialmente construidas", dijo Nottoli. "Si se trata de un centro de mecanizado, nuestro husillo sube al [espacio] del husillo de la máquina y proporciona su propia rotación". El centro de mecanizado proporciona el posicionamiento del eje, el husillo NSK la potencia.

Si bien la neumática y la eléctrica tienen sus aplicaciones, Nottoli también destacó las ventajas de la eléctrica. "La mejor inversión por su dinero será con la electricidad. Nuestros motores eléctricos son de CC sin escobillas en un controlador de circuito cerrado. Con nuestro controlador, una vez que la velocidad se marca a las mil rpm, mantiene el husillo a esa velocidad una vez que la se acopla la herramienta de corte. No ocurre lo mismo con un husillo de accesorio neumático, ya que una vez que se acopla a una pieza, las rpm suelen caer", explicó. "Podemos tratar de controlarlo con un regulador. Pero realmente no hay retroalimentación activa para controlarlo".

El husillo eléctrico más nuevo de NSK, el iSpeed5, cuenta con velocidades de hasta 80 000 rpm con una potencia de salida máxima de 350 W. Es un sistema de cambio de herramienta completo que consta de un husillo de motor, un bloque de parada, un interruptor de presión de aire y una unidad de control. Las señales de control, aire de refrigeración y alimentación se envían al husillo cuando se conecta al bloque de tope electromecánico que se conecta al husillo de una máquina herramienta. Los cojinetes cerámicos permiten estas altas rpm.

William Gillcrist, gerente nacional de productos y gerente de aplicaciones de MC Machinery Systems, Inc., Elk Grove Illinois, estuvo de acuerdo en que una mayor velocidad y potencia son importantes en los husillos nuevos y también enfatizó la precisión. "En aplicaciones de alta precisión, debe asegurarse de que la herramienta gire perfectamente, por lo que las tecnologías de rodamientos son importantes", dijo. "El descentramiento y la minimización del crecimiento del husillo con cojinetes de alta tecnología son fundamentales", dijo. Eso significa cojinetes de cerámica o de aire cuando las rpm alcanzan más de 20,000. Igual de importante es una mayor vida útil del husillo. Un husillo puede ser el componente más costoso de una máquina herramienta y tratarlo como un consumible afecta el resultado final.

Pero no toda la nueva tecnología de husillo ofrece altas velocidades, bajo descentramiento y baja vibración con rodamientos más pequeños y una larga vida útil. Todavía se necesitan husillos que proporcionen un alto par y altas tasas de remoción de metal, a menos rpm. Esto ejerce una presión significativa sobre los rodamientos y los componentes. Idealmente, un solo husillo proporcionaría un par alto/rpm bajas y un par bajo/rpm altas. "Lo que hemos estado viendo son mejores husillos que tienen más par y velocidad, proporcionando par a velocidades más bajas y aún así capaces de alcanzar rpm más altas muy por encima de las 30 000. Un alto par combinado con la velocidad más alta en un husillo de larga duración es lo que la mayoría de la gente quiero", dijo Gillcrist. También ofrece un consejo práctico: es el alto par lo que limita la vida útil del husillo.

Otro factor importante a compensar es la expansión inducida por el calor. El control del descentramiento radial es importante, pero también lo es el crecimiento del husillo en la dirección axial. "Una de las cosas principales que vemos en las máquinas que vendemos es la capacidad de controlar o adaptarse a cualquier crecimiento del eje", explicó Gillcrist. "Si estoy tratando de mantener una profundidad Z muy ajustada en un molde, no puedo permitir que mi husillo fluctúe". Su respuesta es recolectar datos y hacer compensaciones a través de los controles de la máquina.

Los dos métodos más comunes para ajustar el crecimiento del huso son el método algorítmico, que infiere matemáticamente el crecimiento del huso a partir de la temperatura y el tiempo en comparación con las curvas recopiladas en el laboratorio, y el método de detección de espacio directo, según Gillcrist.

El método directo se está volviendo más práctico debido a las mejoras en los sensores. "Tenemos detección de brechas en tiempo real en algunas de las máquinas que pueden ajustar [posición] en tiempo real si hay algún crecimiento o cambio, si la herramienta se está desgastando o cuando la herramienta no está activada en absoluto. El estilo del algoritmo parece no ser tan favorable [hoy]. Pero también tenemos un fabricante que usa ambos, en un entorno de cinco ejes, para que puedan capturar todo en lo que respecta a las predicciones térmicas/de tiempo y la brecha real", dijo Gillcrist.

Hay varias razones por las que los datos se están volviendo tan importantes, desde los procesos de mecanizado de circuito cerrado hasta la alimentación de datos en un conjunto de datos de fábrica inteligente. Pero, para que sea útil, los datos deben ser transferidos. "La conectividad es importante en el avance de la tecnología de husillos", dijo Max Paulet, gerente de desarrollo comercial para América del Norte de PCI-SCEMM, con sede en Saint-Etienne, Francia y Mason, Ohio, y asociado con Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio. . "Creo que todo el mundo está tratando de hacer que la máquina sea más inteligente, más autónoma mediante la recopilación de datos muy cerca de la herramienta de corte y la pieza que está cortando".

PCI-SCEMM ahora ofrece su electrohusillo, o e-SPINDLE, para brindar estas opciones a los fabricantes de máquinas. Está disponible en América del Norte de Absolute Machine Tools. Según Paulet, el sistema e-SPINDLE integra sensores en las herramientas de corte o portaherramientas, no más arriba en el husillo. "Por lo tanto, los sensores están cerca del área de corte o del área de medición designada, lo que garantiza una recopilación y procesamiento de datos de alta calidad", dijo. Hay flexibilidad, si se utilizan herramientas estándar, el husillo actuará como un husillo estándar no conectado. Se puede utilizar casi cualquier tipo de sensor, como acelerómetro, medidor de esfuerzo, termopar o dispositivos de generación de movimiento, como actuador piezoeléctrico, accionamiento eléctrico o accionamiento térmico.

¿Qué tipo de sensores son más útiles para los usuarios finales? Según Paulet, vibración, torsión y, al taladrar o fresar agujeros, sensores que miden el diámetro del agujero. "Comenzamos con la medición de la vibración, y es muy poderosa; hay muchos efectos que se pueden medir y controlar con la vibración", dijo. Al medir el patrón de vibración de referencia con un proceso bajo control, cualquier variación de ese objetivo de vibración significa problemas. Si el contacto entre la pieza y la herramienta es incorrecto, si la herramienta está rota, desequilibrada o vibra, el patrón de vibración alertará al controlador para que ajuste o, en el peor de los casos, apague el proceso y alerte a un operador.

"El segundo sensor más común es el par", dijo Paulet. Las variaciones de torque nuevamente brindan información útil sobre los procesos que van mal. Los cambios abruptos en su patrón pueden detectar vibraciones o una herramienta rota, así como cambios esperados en el material. "Al combinar también el par con la vibración, se obtiene una mejor comprensión del proceso en tiempo real", dijo. Señaló que esto es útil para perforar orificios para unir materiales diferentes, como aluminio y plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP), comunes en la industria aeroespacial. El control es lo suficientemente inteligente como para ajustar el taladro a medida que corta de aluminio a CFRP a aluminio en un material apilado.

El tercer sensor más común, señaló Paulet, mide diámetros en el proceso. La empresa utiliza un calibrador láser, que mide de forma continua cuando las herramientas de corte están dentro del orificio de un cilindro y envía datos al controlador sobre cuál es el diámetro real en ese instante. "Al medir un diámetro en el proceso, puede ajustar ese proceso y saber cuánto material eliminar o compensar el husillo", explicó Paulet. "Esto hace que la perforación y el fresado sean precisos en micras".

Wade Anderson, gerente de ventas especialista en productos de Okuma Americas Corp., Charlotte, NC, también señaló la demanda de un rendimiento, confiabilidad y tiempo de actividad de la máquina aún mejores. Okuma no solo construye máquinas herramienta, sino que también fabrica los husillos que se utilizan en ellas. "Con la tendencia en el rendimiento [mejorado], veo que aumentan las rpm y los caballos de fuerza, lo que significa también un par más alto", dijo Anderson. "No fue hace tanto tiempo cuando usaba máquinas con motores de husillo de 10 hp (7,46 kW). Ahora tenemos máquinas que funcionan con motores de husillo de 30, 40, 60 e incluso 75 hp". Eso se traduce en un rango de 22 a 56 kW. Este no es solo el caso de los husillos mejorando. Esas mejoras se combinan con mejoras en la tecnología de máquinas y herramientas. Juntos, esto permite a los fabricantes cortar con precisión materiales cada vez más difíciles.

Más potencia del husillo es buena. El calor que genera es malo. "Uno de los generadores de calor más grandes de cualquier máquina es el motor de husillo. Por lo general, es uno de los motores más grandes en la máquina herramienta", explicó Anderson.

¿Cómo controla Okuma ese calor? "Enfocamos mucho tiempo y atención en la dinámica térmica de la máquina y en las mediciones en vivo y en tiempo real", dijo. "Medimos las temperaturas del husillo y, a través del mapeo térmico, podemos compensar la cinemática de la máquina según sea necesario. Llamamos a este sistema TAS (estabilizador termoactivo) y, junto con nuestras tecnologías patentadas de enfriamiento del husillo, nos brinda las herramientas necesarias para [crear] uno de las plataformas de máquinas más estables térmicamente disponibles".

¿Qué tal la confiabilidad y el tiempo de actividad de la máquina? Anderson advirtió que si bien es bueno calcular el tiempo de ciclo para una operación nominal, uno debe enfocarse en la eficiencia de todo el proceso, especialmente en identificar y eliminar el tiempo de inactividad inesperado. "Si puedo hacer una pieza extremadamente rápido, puedo estar golpeando la máquina y rompiendo el husillo prematuramente", dijo. Recuerde, las aplicaciones de alto torque pueden crear situaciones que pueden afectar la vida útil del husillo. "Si de repente la máquina deja de funcionar porque está dañado o el eje está dañado, eso me cuesta mucho más que un tiempo de ciclo más lento".

Sin embargo, un ciclo demasiado lento también costará dinero. ¿Cuál es la mejor manera de optimizar el tiempo del ciclo? Requiere datos, conocimiento y juicio. Okuma ofrece la capacidad de optimizar un proceso de corte de metales con datos derivados de sensores combinados con el conocimiento y el juicio de la inteligencia artificial (IA). De acuerdo con Anderson, es una buena idea basar un proceso para una nueva máquina en términos de medidas fundamentales como la vibración, la potencia y el par (creando una huella dactilar). Según la huella digital, el controlador puede detectar cuándo el proceso se está desviando de la línea de base.

Como resultado, los maquinistas pueden ejecutar un ciclo rápido con más seguridad de que la máquina enviará una alarma cuando llegue a una línea roja e intervendrá automáticamente para evitar tiempos de inactividad catastróficos. Se optimizan los procesos y se contienen los costes. "Predecir la falla antes de que suceda eleva el nivel de su proceso de fabricación", dijo.

Puede parecer contradictorio, pero la capacidad de girar una herramienta puede ser importante en las operaciones de torneado. Los tornos, por definición, giran la pieza de trabajo y usan una herramienta estática para cortar características cilíndricas en la pieza de trabajo. Sin embargo, para taladrar agujeros o cortar superficies planas en un torno simple, un maquinista tiene que sacar la pieza del torno y reajustarla en una fresadora CNC.

"El herramental motorizado usa el accionamiento de la torreta de la máquina", dijo Preben Hansen, presidente de Platinum Tooling, Prospect Heights, Illinois. En máquinas equipadas con herramientas motorizadas, la pieza de trabajo se detiene, se acopla una herramienta de corte que gira y se taladran agujeros o se fresan superficies planas. "Son impulsados ​​por la torreta de la máquina, que puede llamar husillo. Piense en lo que proporcionamos como una transmisión, un conjunto de engranajes que utiliza el motor en la torreta del torno para girar la herramienta viva". Estas herramientas motorizadas pueden ajustar la relación de transmisión, hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de si la aplicación necesita velocidad o par. Platinum Tooling ofrece herramientas motorizadas de Heimatec.

¿Qué piden los clientes? "La velocidad es la característica más crítica. Quieren girar sus herramientas más rápido", dijo Hansen. Velocidad significa dinero, así que eso tiene sentido, pero no es todo lo que quieren. "Lo que se está volviendo igual de importante es la herramienta en vivo con sensores para que puedan usar datos para el monitoreo. Es un gran problema que abordar en este momento". Existe la necesidad de husillos para herramientas motorizadas que controlen el tiempo de funcionamiento, las velocidades, la humedad y las temperaturas. "El calor es malo para los rodamientos, por lo que monitorear y controlar las temperaturas significa que los rodamientos y ejes durarán más", dijo Hansen. "La humedad también es mala para el dispositivo. Un sensor de humedad puede dar una alarma para apagarlo inmediatamente y no tener fallas catastróficas".

¿Cuál es el objetivo final de estos sistemas basados ​​en sensores? "Operación más rápida, monitoreo en tiempo real de las operaciones de corte y, en última instancia, operaciones de apagado de luces", dijo.

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