Obtener un control sobre cinco

May 09, 2023

Hay más de una forma de sujetar una pieza: alrededor, debajo o encima

Los pros superan fácilmente los contras cuando se trata de elegir el mecanizado de piezas de trabajo en cinco ejes. Algunas partes son intrincadas y pequeñas, mientras que otras son grandes y complejas, y la mayoría son difíciles de sujetar. Las configuraciones deben caber en una envolvente de máquina con suficientes espacios libres para el husillo, la pieza de trabajo y la sujeción de piezas.

El mecanizado de cinco ejes abre nuevas oportunidades comerciales en el mecanizado de piezas para la ingeniería aeroespacial/de defensa, automotriz, médica, energética y general. Pero es en las operaciones y la productividad del mecanizado donde el mecanizado de cinco ejes realmente brilla. La tecnología mejora los procesos y el rendimiento, en forma de suma por resta. Agregar una máquina herramienta versátil puede eliminar máquinas menos capaces, reducir la cantidad de configuraciones y aumentar la precisión al minimizar las fuentes de error, humano y de otro tipo.

Entonces, ¿los cinco ejes son para todos? ¿Es adecuado para su tienda? Tal vez. Pero se necesita un análisis sistemático de los cómo y los por qué de la sujeción de piezas para tomar una decisión informada. Así es como algunos proveedores líderes sugieren que deben proceder las tiendas.

A estas alturas, casi todo el mundo ha oído hablar del mecanizado de cinco ejes, pero probablemente no esté familiarizado con todos los problemas y complicaciones que conlleva esta tecnología de mecanizado altamente productiva. Ese conocimiento solo se obtiene a través de la experiencia práctica y las condiciones inherentes al proceso, según John Zaya, especialista técnico, BIG Daishowa Inc., Hoffman Estates, Ill.

Los pasos de Zaya para el diseño e implementación exitosos de la sujeción de cinco ejes incluyen:

"Primero, trato de comprender el tamaño y la masa de las piezas y accesorios que se manejan", explicó Zaya. "La masa y el momento de una parte móvil pueden ser una variable importante que afecta la estabilidad del sistema.

"Las siguientes consideraciones son el tipo de máquina, el tamaño de la mesa y los diferentes requisitos de montaje para la sujeción de piezas. Hay una gran diferencia entre una máquina tipo pórtico donde la pieza está estacionaria en el piso o la mesa y toda la máquina se mueve alrededor de la pieza de trabajo, —continuó Zaya—. "Eso es muy diferente en comparación con una máquina de muñón con un husillo vertical u horizontal donde el muñón gira y gira toda la mesa, [donde] el accesorio y la pieza se mueven con un movimiento altamente dinámico. El impulso y las cargas que resultan tienen que ser absorbidos tanto por la máquina como por la sujeción del trabajo para evitar que la pieza se mueva".

También se deben tener en cuenta los tipos de operaciones de corte que se realizan, dijo Zaya. Esto incluye tamaño de taladrado, fresado (acabado ligero, desbaste pesado o ambos), roscado (roscado con macho o fresado de roscas) y mandrinado (desbaste pesado, acabado ligero o ambos). Las cargas de corte, la dirección en que se aplican las cargas y la posición en la que se aplican son factores que influyen en el tamaño adecuado del sistema de sujeción, agregó.

"Con la mayoría de los centros de mecanizado horizontales y verticales, las cargas suelen estar alineadas con el eje de la herramienta de corte o pueden ser absorbidas por la máquina. Sin embargo, cuando se trata de máquinas de cinco ejes o sujeción de piezas, hay mucha más flexibilidad ya que a la dirección en la que ocurren las operaciones de corte", señaló Zaya. Por ejemplo, dijo, perforar y aterrajar orificios en un bloque simple implica cargas de corte axial que están todas en línea con el husillo contra una cara plana que se apoya en una mesa.

"En una máquina vertical no hay problemas. En una máquina horizontal, incluso si la pieza sobresale por el lado de la lápida, generalmente puede resistir los movimientos de corte que puede generar una carga axial como esa", explicó Zaya. "Con una máquina de cinco ejes, esa misma carga axial podría aplicarse a 30°, 45° o en cualquier ángulo".

La sujeción convencional, como las prensas o los accesorios, tienen un problema básico, el espacio libre, que debe abordarse para el mecanizado de cinco ejes.

"Por lo general, crean obstrucciones de algún tipo que impiden que la herramienta de corte alcance una característica o una cara de la pieza", dijo Zaya. "Las prensas de cinco ejes generalmente minimizan esto con un borde de sujeción de bajo perfil de 3 mm y huellas compactas. Los accesorios se pueden diseñar para permitir el acceso total a cinco de las seis caras de una pieza prismática, pero eso significa que necesita un accesorio para cada parte o familia de partes. El otro espacio libre importante que debe tenerse en cuenta es la carcasa del husillo a la mesa. Con mesas capaces de inclinarse hasta 90o o más, esto crea un área de interferencia que no se puede pasar por alto".

El sistema de punto cero de 5 ejes UNILOCK de BIG Daishowa está diseñado para brindar soluciones a estos requisitos de proceso de cinco ejes. La consideración principal que resuelve el producto es el espacio libre entre el husillo de la máquina y la mesa, según Zaya, quien señaló que se puede dimensionar para que coincida con el tamaño y el peso de la pieza.

Se ofrecen tres tamaños de perilla (System25, System40 y System68), cada uno de los cuales puede manejar cantidades crecientes de carga de peso, impulso y cargas de corte. Por ejemplo, el sistema UNILOCK de 5 ejes40 es capaz de soportar cargas laterales de 13 a 28 kN (1325 a 2855 kg) por pila. Agregar varias pilas debajo de la pieza solo agrega más capacidad de carga lateral.

El sistema de sujeción también aplica una fuerza de retención de 11 kN (1122 kg) por perilla de sujeción y, combinado con sujetadores grandes y de alta calidad, proporciona una sujeción muy rígida de la pieza. El acceso a todas las caras se logra mediante el uso de reducciones que pasan de 80 mm a 50 mm, lo que permite que la máquina tenga espacio libre para cortar la cara completa de la pieza y, si es necesario, cortar la reducción como se ofrecen en tanto el estado endurecido como el blando.

El sistema es modular y se puede apilar en varias combinaciones para acomodar la pieza, el accesorio y la máquina según sea necesario. Las bases vienen en tres tipos con diferentes perfiles de base y tres alturas: 75, 100 y 125 mm. Las extensiones también se ofrecen en tamaños de 75, 100 y 125 mm, mientras que las reducciones están disponibles en alturas de 25, 50 y 75 mm. Los modelos CAD están disponibles.

"Con cualquier sistema de sujeción, la repetibilidad de los componentes modulares es fundamental", enfatizó Zaya. "El sondeo de la pieza de trabajo sigue siendo una opción a la que muchos usuarios renuncian, afirmando que es una operación que no requiere corte y, por lo tanto, no tiene ningún valor. En esas situaciones, confían en que el sistema tenga la repetibilidad o fuerzan a la persona encargada de la configuración a indicar la pieza".

Zaya cree que el sondeo siempre debe usarse incluso con dispositivos precisos. El sistema UNILOCK tiene una repetibilidad de 5 µm que, cuando se combina con un sondeo de piezas, permite una carga y ubicación precisas y repetibles.

Comenzar a diseñar una solución de sujeción de piezas para centros de trabajo de cinco ejes comienza con el análisis de la viabilidad del trabajo, según Colin Frost, director de operaciones de Carr Lane Manufacturing Co., con sede en St. Louis. Señaló que hay una serie de elementos a considerar , incluido:

"Como es probable que el centro de trabajo de cinco ejes sea la pieza de equipo de mayor costo en una operación", dijo Frost, "se debe prestar especial atención a la sujeción del trabajo, especialmente si requiere preparación de la pieza de trabajo, como mecanizar una cola de milano o 'imprimir'". ,' ya que estas operaciones contienen costos. Una vez que se determina que la fabricación de la pieza utilizando el centro de trabajo de cinco ejes dará como resultado un costo menor, solo entonces se debe continuar con el trabajo".

Carr Lane ofrece una variedad de productos diseñados para centros de trabajo de cinco ejes, incluidas versiones mecánicas y motorizadas para producción de baja a gran cantidad y todo, desde sistemas de punto cero hasta prensas y abrazaderas de borde de perfil bajo.

Las prensas, fabricadas en Alemania por Roemheld, cuentan con una construcción completamente de acero, a diferencia de la mayoría de las otras prensas de cinco ejes del mercado. "El acero, en esta aplicación, es mucho más rígido que el aluminio", explicó Frost. "Esto no solo facilita la capacidad de elevar la pieza de trabajo más lejos de la mesa, sino que dará como resultado ciclos de mecanizado más cortos en los que se puede eliminar más material sin vibraciones, un acabado superficial deficiente o la rotura de la herramienta".

Muchos de los productos de Carr Lane son modulares, como la solución de punto cero mecánico Drop Zero y, además, la gama de productos CL5 que incluye elevadores, prensas y placas. Pueden construirse en un software de modelo CAD descargable y probarse mediante simulación. Existen gemelos digitales para todos los productos CLM en carrlane.com.

Hay tres consideraciones principales para las configuraciones de cinco ejes que son diferentes de la sujeción de piezas tradicional, según Frost. El primer factor, dijo, es ¿la sujeción de trabajo levanta la pieza de trabajo de la mesa lo suficiente como para permitir el acceso a la pieza de trabajo por parte del husillo?

En segundo lugar, el área donde la sujeción del trabajo hace contacto con la pieza de trabajo no se puede mecanizar. ¿Afecta esto al producto? De ser así, ¿qué otras decisiones se tomarán para resolver esto?

La tercera pregunta, señaló Frost, es ¿puede el operador colocar repetidamente la pieza de trabajo de manera adecuada? "A diferencia de los centros de trabajo tradicionales, los centros de trabajo de cinco ejes generalmente usan el centro de la mesa como origen o punto 0. Alinear el centro de la pieza de trabajo con el centro de la mesa elimina el desperdicio de material de gran tamaño, el sondeo de la pieza de trabajo o ambos. Cada uno de los cuales agrega costo”, señaló.

Los centros de trabajo vienen en dos configuraciones muy diferentes: máquinas estilo muñón y pórtico. "Las máquinas con mesas de muñones o muñones giratorios suelen tener una envolvente de mecanizado mucho más pequeña que una máquina de estilo pórtico", dijo Frost. "Esto es especialmente cierto si la máquina estilo pórtico tiene un cabezal giratorio. Las prensas son una solución común para la sujeción flexible de piezas en máquinas estilo muñón".

Los trabajos que probablemente se repitan generalmente se benefician significativamente de la creación de un accesorio simple. Después de todo, ¿qué es un tornillo de banco sino una abrazadera que se mueve contra un tope fijo? Frost reflexionó. "Las máquinas de estilo pórtico, que normalmente se usan con piezas de trabajo muy grandes, necesitan una solución diferente, ya que un tornillo de banco tendría que ser enorme. Para estos grandes centros de trabajo, Drop Zero de Carr Lane es una solución modular, manual y de sujeción de piezas diseñada para proporcionar acceso completo a todos los cinco lados de la pieza de trabajo sin interferencias en la sujeción", dijo Frost.

Otra consideración importante para la sujeción de piezas de cinco ejes es su escalabilidad para la automatización. "Incluso con una solución de accesorios de cambio rápido, cualquier oportunidad de automatizar la carga/descarga del centro de trabajo es una oportunidad importante para controlar los costos (e impulsar la rentabilidad) y aumentar el rendimiento", dijo Frost.

"La compra de un ecosistema de productos, como elevadores, placas secundarias de cambio rápido y prensas que solo se ofrecen en una operación mecánica requerirá la recompra de sujeción de piezas para respaldar la automatización", continuó Frost. "Las prensas y abrazaderas CLM están disponibles en versiones mecánicas y motorizadas (listas para la automatización). Algunas, como la nueva familia de abrazaderas de borde pivotante, se pueden actualizar a motorizadas sin cambiar la sujeción. Y debido a que todas las prensas de cinco ejes de Roemheld están disponibles en versiones motorizadas del mismo tamaño, no es necesario rehacer las mordazas del tornillo de banco, ni siquiera cambiar las placas secundarias o los elevadores".

"Por lo general, los clientes compran en función de la pieza de hoy. Lo que les decimos a los clientes es que traten de poner tanta flexibilidad en su aplicación para el día en que una pieza sale o entra otra pieza o familia de piezas", dijo Larry Robbins, presidente de la división comercial de SMW. Autoblok, Wheeling, IL.

"En comparación con el mecanizado convencional de tres ejes, el mecanizado de cinco ejes es más rápido, más preciso y adecuado para una aplicación específica. Las soluciones de sujeción de piezas listas para usar son suficientes para probablemente del 50 al 60 por ciento de las aplicaciones. socios como nosotros brillan es diseñar soluciones de sujeción flexibles que maximizan la producción del centro de trabajo, ya sea una máquina de estilo pórtico o muñón", dijo Robbins.

Encontrar la solución de sujeción adecuada depende de la configuración de la pieza y la configuración de la máquina. Para las máquinas estilo pórtico, la altura Z y el tamaño de la mesa son la limitación para el espacio libre de piezas y herramientas, según Robbins. Con una máquina de muñón de cinco ejes, señaló, los usuarios deben preocuparse por "las herramientas y el espacio libre de las piezas y la capacidad de la sujeción de piezas y el muñón para girar completamente sin golpear una intrusión o la máquina misma".

Cuando observa una máquina de pórtico de cinco ejes, es una máquina vertical con una pieza de trabajo estacionaria. La máquina horizontal presenta un conjunto diferente de desafíos para el mecanizado de cinco ejes en el que una pieza se sujeta en una lápida o se coloca sobre una mesa en un sistema de cambio rápido paletizado como el sistema de posicionamiento de piezas de trabajo WPS/APS de SMW Autoblok. El sistema APS cuenta con un sistema de sujeción manual de punto cero que se utiliza en una variedad de aplicaciones de mecanizado, incluidas las operaciones de torneado, fresado, inspección y acabado.

"Para aplicaciones de mecanizado de cinco ejes, el sistema de posicionamiento manual de piezas de trabajo WPS y WPS-PPD es flexible y fácil de usar", dijo Robbins, y agregó que proporciona una reducción del tiempo de configuración de hasta un 90 por ciento sin necesidad de dispositivos de sujeción convencionales. También proporciona una mayor accesibilidad a la máquina con una gama de accesorios y adaptadores sin interferir con las máquinas o los contornos.

SMW Autoblok ofrece una amplia gama de sistemas de sujeción, desde una configuración hidráulica o neumática completa hasta una aplicación de sujeción manual. Las nuevas prensas mecánicas, hidráulicas y neumáticas de la compañía para la sujeción de trabajos estacionarios son "completamente configurables en el campo", dijo Robbins, y agregó que incluyen la prensa IMG, las prensas Sintex y la prensa SP52G, y prensas hidráulicas y neumáticas.

"El sistema SP5 2G nos brinda la capacidad de colocar pasadores en una pieza, un tornillo de banco o un accesorio y montar esas piezas dentro y fuera de diferentes máquinas una y otra vez con la misma configuración básica dentro de las 5 décimas de donde estaba pieza a pieza , máquina a máquina", dijo Robbins. "También tenemos abrazaderas de sujeción estilo forma que le permiten tomar un material estilo boquilla, montarlo en una base que le brinda repetibilidad de posición y mecanizar el componente en una mordaza circular. Es casi como si preparara su máquina para capturar el parte en tres lados para que no tenga que preocuparse por voltear, excepto por su cuarto lado.

"Debido al diseño de un tornillo de banco de cinco ejes, nunca agarra una pieza como un tornillo de banco estándar. Sujeta los lados y voltea una pieza hacia el otro lado o pasa a una configuración diferente. Con un tornillo de banco de cinco ejes en el sistema que usamos algo llamado SinterGrip en nuestras mordazas, que es un inserto patentado que encaja en la mordaza para nuestra sujeción de piezas y la sujeción de piezas de nuestros competidores. Le permite sujetar un reborde o borde de 3 mm y obtener tanto rigidez como sujeción de contacto de superficie completa", dijo Robbins.

Las series de tornillos de banco SINTEX 100 y 125 de SMW Autoblok ofrecen rangos de sujeción de 155 a 250 mm e incluyen la tecnología de inserción premium SinterGrip de la compañía que proporciona un rango de sujeción de 3,5 mm (en comparación con el estándar de 30 mm para otros modelos de la industria) y sin cola de milano ni premecanizado de la pieza. En IMTS, SMW Autoblok presentará su nueva línea de mandriles, abrazaderas y prensas de accionamiento electrónico para automatizar completamente los procesos de fabricación.

El diseño de una solución de sujeción de cinco ejes comienza con la recopilación de información sobre el tipo de pieza, sus características críticas y cualquier desafío de herramientas, según Braden Damman, ingeniero de aplicaciones, Vektek LLC., Emporia, Kansas. Los siguientes pasos son determinar el proceso previsto con con respecto a la carga del operador o la carga del robot de un palet o mesa, sabiendo el tamaño de la envolvente de mecanizado y cuántas piezas se van a cargar y descargar.

"La diferencia entre las aplicaciones de sujeción de piezas convencionales y de cinco ejes depende de cómo se va a sujetar las piezas rígidamente para un mecanizado preciso de cinco ejes", dijo Damman. "En una aplicación de cinco ejes, el objetivo es reducir la mayor cantidad de operaciones posible. Eso puede requerir cambiar el principio convencional de tres asientos para sujetar la pieza de una manera diferente para que pueda alcanzar tantas funciones como sea posible.

"El método de fijación 3-2-1 requiere tres puntos para definir el plano de ubicación de la pieza. Cuando se mecaniza, una pieza a menudo requiere soporte adicional en el plano Z. Un soporte flotante, como un soporte de trabajo TuffGrip, proporciona una solución que se puede usar en cualquier lugar donde se use un tornillo nivelador. En aplicaciones donde la distorsión de la pieza, la vibración, el zumbido o el acabado superficial deficiente son el resultado del movimiento o la vibración de la pieza, un soporte de trabajo puede disminuir o eliminar el problema", explicó Damman.

El espacio libre es un problema importante para los dos estilos diferentes de centros de trabajo. Las garras giratorias TuffCam y los soportes de trabajo TuffGrip de Vektek, por ejemplo, ofrecen soluciones para cumplir con los requisitos de espacio libre en las máquinas estilo muñón y pórtico. "Muchos de esos aspectos los realizan los diseñadores, pero los ayudamos a comenzar en la dirección correcta. Las máquinas estilo pórtico, por lo general, para piezas más grandes requieren una sujeción que se realiza mediante soporte de trabajo para reducir la vibración. Los centros de trabajo de muñón involucran piezas de trabajo más pequeñas y dinámicas". se debe considerar el movimiento de la pieza de trabajo montada en el muñón".

Damman explicó que los productos de sujeción Vektek son universales, lo que significa que son específicos para la aplicación de mecanizado de piezas. Vektek también tiene abrazaderas más pequeñas que se prestan a aplicaciones de cinco ejes.

"Los cilindros de tracción se pueden combinar con una abrazadera tipo cuña o un mandril expandido o algo que estaría debajo de la pieza", dijo Damman. "También tenemos abrazaderas de sujeción excéntricas y concéntricas que están diseñadas para sujetar dentro de un orificio más pequeño. Son muy útiles para el mecanizado de tipo de cinco ejes porque está sujetando debajo de la pieza y ahora se pueden mecanizar todos los lados y la parte superior como bien", dijo.

Todos los modelos CAD de Vektek son específicos para un número de modelo y todos se pueden descargar desde su sitio web. Los formatos CAD incluyen diseños STEP, IGES, SolidWorks, Creo/ProEngineer PRT, DWG, DXF y pdf que proporcionan las dimensiones de la pieza.

Según Damman, es fundamental para diseñar una solución eficaz de sujeción de piezas de trabajo de cinco ejes comprender el flujo del proceso a través del centro de trabajo, ya sea que se requiera una sujeción automática o de precisión. "Si es así, es posible que se necesiten sistemas de alimentación adicionales, como bombas hidráulicas bajo demanda de alta y baja presión o, en el lado de la máquina, códigos M adicionales o programación de PLC que se necesita para el ciclo de sujeción automatizado".

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