Conceptos básicos de equilibrio de herramientas

Sep 10, 2023

Las herramientas desequilibradas son un problema. Generan vibraciones, lo que puede dar lugar a herramientas rotas, una vida útil más corta del husillo y una mayor rugosidad de la pieza de trabajo.

La implementación de protocolos de equilibrio para un proceso de mecanizado ayuda a proteger una máquina herramienta. Las herramientas equilibradas reducen las vibraciones y son necesarias para cortar a 44 000 o 3000 rpm.

Como muchas cosas, el equilibrio de herramientas merece un análisis de costo-beneficio. Si bien la nueva tecnología puede afectar la forma en que se realiza y justifica el equilibrio, la necesidad de análisis no cambia.

Causa del desequilibrio

El desequilibrio de la herramienta se produce cuando el centro de gravedad de una masa giratoria no está alineado con su eje giratorio.

"Entonces, el desequilibrio es una distancia que crea una excentricidad", dijo el gerente Francesco D'Alessandro de Balance Systems Corp. en Wixom, Michigan. "Esta excentricidad crea vibración".

La máquina equilibradora Tool Dynamic TD Comfort (arriba) está equipada con un PC, teclado, ratón y monitor. Imagen cortesía de Haimer EE. UU.

Definida como la distancia desde el centro de rotación de una herramienta hasta su verdadero centro de masa, la excentricidad mide hasta qué punto el peso de la herramienta está descentrado. Si la excentricidad se mide en micras y la masa de la herramienta se mide en kilogramos, estas unidades producen el desequilibrio en milímetros gramo, una unidad común.

El presidente Thomas Hoenig de GTI Spindle Technology Inc. en Manchester, New Hampshire, está de acuerdo en que el equilibrio de herramientas es extremadamente importante. El desequilibrio daña los cojinetes del husillo y otros componentes del husillo. El desequilibrio también provoca vibraciones en las piezas mecanizadas y rectificadas. Y las herramientas desequilibradas provocan un desgaste prematuro de las herramientas a través del daño cónico en la interfaz de herramientas.

"El balance de herramientas debe hacerse casi siempre", dijo. "La única vez que no se aplica es en operaciones de maquinado con rpm muy bajas, como agujeros roscados o algunos cortes de torno lentos. Cualquier operación de maquinado a más de 3000 rpm, el equilibrio es crítico".

Sin embargo, el presidente Brendt Holden de Haimer USA LLC en Villa Park, Illinois, dijo que, en muchos casos, algunas de las ventajas más importantes de equilibrar conjuntos de herramientas se pueden encontrar a bajas revoluciones para elementos como cabezales de mandrinado o conjuntos de ejes de fresado frontal.

"Nuestro consejo es mirar siempre las aplicaciones que presenten desafíos que nadie pueda descubrir cómo resolver", dijo. "Tal vez observaron la fijación, el estado de la máquina o las herramientas de corte, pero aun así no obtienen el rendimiento que querían. ¿Observaron el equilibrio? Si no, este sería el momento de investigar el equilibrio".

Holden dijo que la gente hoy quiere reducir el tiempo de ciclo, lo que puede significar disminuir la cantidad de cambios de herramientas. Si un taller anteriormente usaba herramientas de desbaste, semiacabado y acabado para completar una pieza, pero ahora prefiere usar solo una herramienta para el trabajo, eso puede causar problemas con el equilibrio. Además, se puede diseñar una herramienta especial para taladrar, escariar y achaflanar. Con bolsillos en diferentes posiciones, se debe prestar más atención al equilibrio para lograr especificaciones de calidad.

Equilibrio necesario

"Teóricamente hablando, el equilibrio siempre es necesario", dijo D'Alessandro. "Aunque en el caso de rpm del husillo muy bajas (menos de 3000 rpm) y objetivos de acabado deficientes de la pieza de trabajo, es posible que se omita el equilibrio de la herramienta".

Dicho esto, las máquinas herramienta modernas tienden a tener velocidades de husillo altas para lograr mayores volúmenes de corte o alcanzar requisitos de alta velocidad de corte, por ejemplo, cuando se mecaniza Inconel.

"Los aumentos de estos valores también han aumentado la demanda de mejores herramientas y portaherramientas, que luego requieren equilibrar la herramienta con más frecuencia que antes y con un desequilibrio residual más bajo", dijo D'Alessandro. "Para monitorear este fenómeno, puede ser útil instalar en la máquina un sistema de monitoreo permanente del husillo, como el sensor B-Safe, que puede brindar ayudas visuales y alertas al operador cuando la vibración es demasiado alta".

El Best Balance 1000 es un dispositivo portátil para medir y corregir las vibraciones de los componentes giratorios debido al desequilibrio. Imagen cortesía de Balance Systems

Las fuentes dijeron que las empresas ganan entre un 15 % y un 25 % en productividad y vida útil de la herramienta en promedio cuando comienzan a equilibrar conjuntos de herramientas, con ganancias aún mejores si comenzaron con situaciones de equilibrio deficiente. Aunque el balanceo no resolverá todos los problemas con un proceso de corte, se estima que el balanceo puede resolver al menos un tercio de los problemas de mecanizado, especialmente los que parecen no desaparecer nunca.

D'Alessandro dijo que los problemas más comunes que experimentan los usuarios finales antes de llamar a Balance Systems son la rotura de la herramienta y la vibración de la pieza de trabajo. El análisis a menudo revela que estas dificultades se deben a la vibración, que se genera principalmente por el desequilibrio de la herramienta.

“El desequilibrio es disimulado porque no se puede ver y se puede sentir solo cuando es demasiado tarde”, dijo. "Por esta razón, me gusta llamarlo el asesino silencioso de las máquinas herramienta".

Holden dijo que sus preguntas más frecuentes de los clientes no tienen que ver con el equilibrio, al menos al principio.

"Sin embargo, durante nuestras discusiones, el tema del equilibrio surge como una necesidad clara en relación con la solución de sus problemas", dijo. "Por ejemplo, nuestro cliente puede llamar sobre problemas con el acabado de la superficie o la vida útil de la herramienta. Luego, al examinarlo, determinamos que tiene un problema de descentramiento. Si bien ese descentramiento puede no ser visible a través de la verificación estática en un precalibrador de herramientas o durante una rotación manual lenta en el husillo de la máquina, una vez que la herramienta está girando dinámicamente a las rpm establecidas en la máquina, el descentramiento aumenta si el conjunto del portaherramientas está desequilibrado. Luego realizamos una prueba para equilibrar el conjunto y encontramos que una vez equilibrado, el descentramiento desaparece y el cliente está feliz."

Holden dijo que los clientes también se quejan de que no pueden funcionar a las velocidades y avances deseados al mecanizar una pieza.

"Al sumergirnos en las cosas, nos damos cuenta de que algunos de los conjuntos de portaherramientas utilizados en el proceso de producción estaban desequilibrados", dijo. "Luego, equilibran los ensamblajes y los clientes pueden mecanizar sus piezas con los avances y velocidades apropiados, tal como lo habían planeado originalmente".

Hoenig dijo que los problemas de instalación del husillo, como el equilibrio, la desalineación y las fallas del codificador, son lo que más escucha de los clientes.

"Cuando el cliente envía un husillo a reparar", dijo, "muchas veces se envía sin todos los componentes giratorios".

Las poleas, las uniones rotativas, los cubos, las barras de tiro y otros elementos se dejan atrás por varias razones. Cuando esos componentes se montan en un husillo recién reconstruido/equilibrado, puede perder el equilibrio y la alineación.

"Por lo tanto, es muy importante que todas las partes se envíen juntas para equilibrarlas juntas", dijo Hoenig.

Desafortunadamente, la mayoría de los técnicos de servicio y los usuarios finales no cuentan con el equipo de balanceo para realizar las correcciones necesarias en el campo. GTI Spindle Technology generalmente tiene que realizar una llamada de servicio cuando eso sucede.

La BVK3-10 es una máquina equilibradora vertical de uso general para piezas en forma de disco. Imagen cortesía de Balance Systems

Cómo equilibrar

El proceso de equilibrio de una herramienta es bastante sencillo. Casi todas las herramientas del mercado tienen un grado de equilibrado indicado con una G seguida de un número, según las normas ISO. Esta es una referencia declarada por un fabricante de herramientas. Si un usuario ingresa la información en el software de un balanceador, junto con el peso y las rpm del ensamblaje de la herramienta, obtiene el desequilibrio residual objetivo que debe lograrse durante el balanceo. Luego, la máquina indica las correcciones mecánicas basadas en las dimensiones de la herramienta seleccionada y el modo de balanceo: A) por "pesos deslizantes", B) por "agregar tornillos", C) por rotación de "anillos excéntricos" o D) por "balanceo libre".

Al fresar, si la vibración es demasiado alta, el problema número 1 con una pieza de trabajo es la vibración.

Hoenig dijo que se deben tomar precauciones con metales particulares al equilibrar. Algunas herramientas de carburo necesitan muelas abrasivas especiales para eliminar el peso y equilibrarlas. Siempre se recomienda quitar peso para herramientas de alta velocidad porque el peso adicional podría salir volando y causar daños o lesiones.

Dijo que la mejor manera de averiguar cómo equilibrar una herramienta es con un analizador/equilibrador de vibraciones. GTI Spindle Technology produce una versión inalámbrica que se ejecuta en el iPad de Apple.

Holden dijo que un taller necesita una máquina equilibradora interna para comprobar el estado de los conjuntos de herramientas.

"Incluso si ordena herramientas de forma especial para que le lleguen balanceadas, ¿cómo sabe si realmente llegan balanceadas a sus instalaciones?" él dijo. "Tenemos algunos clientes más grandes que simplemente usan la máquina balanceadora como un indicador de si pasa o no para confirmar que sus ensamblajes estén balanceados todo el tiempo".

Holden dijo que una máquina de balanceo dice cómo quitar o desplazar peso o agregar peso a un conjunto de herramientas para equilibrarlo. Para determinar el equilibrio, es importante observar la composición de un conjunto de herramientas. ¿Se puede quitar material de todas las áreas del soporte sin dañarlo? Por ejemplo, ¿se eliminaría el material de los puertos de refrigeración o de las cámaras hidráulicas? O si el peso se desplaza a través de anillos de equilibrio, ¿habrá interferencia con la pieza de trabajo?

"Todas estas cosas deben ser consideradas", dijo. "Pero en casi todos los casos, existe un buen método para equilibrar una herramienta utilizando uno de estos métodos (eliminar, agregar o desplazar peso)".

La máquina equilibradora más popular de Haimer USA es Tool Dynamic TD Comfort, que Holden recomienda en función de su facilidad de uso y precisión.

"Usamos un husillo que sujeta el conjunto de herramientas como si estuviera sostenido por el husillo de la máquina herramienta, y la máquina en sí tiene un husillo resistente que usa sensores de fuerza centrífuga para medir el desequilibrio del conjunto de herramientas", dijo. "La facilidad de uso proviene del software que guía al usuario a través de un sencillo proceso de modificación".

Las ofertas de Balance Systems son para talleres mecánicos, mantenimiento de campo de máquinas herramienta y fabricación de herramientas y portaherramientas.

"Para los usuarios finales de máquinas herramienta", dijo D'Alessandro, "actualmente, la máquina más popular para esta aplicación es nuestra BVK3-10".

Explicó que un operador coloca una herramienta en el BVK3-10, carga el programa de pieza relacionado y cierra la protección. La máquina comienza a medir el desequilibrio inicial y luego le indica al operador la corrección que debe aplicar a la pieza.

Para el mantenimiento de campo, D'Aless-andro recomienda equipos de balanceo portátiles, como Best Balance 1000. El principal beneficio de este modelo es que el usuario no necesita quitar una herramienta de un husillo y colocarla en el balanceador. El proceso de equilibrado se puede realizar directamente en una máquina herramienta. El mismo equipo también se puede utilizar para equilibrar otros tipos de husillos, incluidos los de las rectificadoras.

“Para los fabricantes de herramientas y portaherramientas, también desarrollamos una máquina equilibradora automática específica: la BVK4”, dijo. "Tenemos una amplia experiencia en la automatización de máquinas y podemos equilibrar estas piezas automáticamente. Este modelo tiene un sistema patentado de detección táctil que elimina el material, es decir, equilibra, con mucha precisión. BVK4 se utiliza en contextos de producción de volumen medio/alto".

BalancePro for Field Balancing de GTI Spindle Technology es una aplicación para iPad/iOS para equilibrar maquinaria rotativa de uno y dos planos. Al conectarse al sistema de medición de aceleración y al tacómetro de GTI Spindle Technology, la aplicación utiliza la amplitud de vibración y la señal de fase para calcular automáticamente los pesos de equilibrio correctivos y sus posiciones angulares. Los trabajos de equilibrio se pueden almacenar y cargar para su uso posterior.

El equilibrio de herramientas puede no ser siempre necesario, pero generalmente es una buena idea.

"Para que sea más fácil de entender", dijo Holden, "¿consideraría alguna vez que hay un momento en que está bien conducir su automóvil con las ruedas desequilibradas? Probablemente no".

Eje utilizado para soporte giratorio en aplicaciones de mecanizado. En rectificado, el husillo para montar la muela; en fresado y otras operaciones de corte, el eje para montar el cortador.

Ampliación de un agujero que ya ha sido perforado o extraído. Generalmente, es una operación de rectificar el agujero previamente perforado con una herramienta tipo torno de una sola punta. El mandrinado es esencialmente un torneado interno, en el que generalmente una herramienta de corte de un solo punto forma la forma interna. Algunas herramientas están disponibles con dos filos para equilibrar las fuerzas de corte.

Estado de vibración de la máquina, la pieza de trabajo y la herramienta de corte. Una vez que surge esta condición, a menudo es autosuficiente hasta que se corrige el problema. La vibración se puede identificar cuando aparecen líneas o ranuras a intervalos regulares en la pieza de trabajo. Estas líneas o ranuras son causadas por los dientes del cortador cuando vibran dentro y fuera de la pieza de trabajo y su separación depende de la frecuencia de vibración.

Fluido que reduce la acumulación de temperatura en la interfaz herramienta/pieza de trabajo durante el mecanizado. Normalmente toma la forma de un líquido como mezclas químicas o solubles (semisintéticas, sintéticas) pero puede ser aire comprimido u otro gas. Debido a la capacidad del agua para absorber grandes cantidades de calor, se usa ampliamente como refrigerante y vehículo para varios compuestos de corte, y la relación agua-compuesto varía según la tarea de mecanizado. Véase fluido de corte; fluido de corte semisintético; fluido de corte de aceite soluble; Fluido de corte sintético.

Herramienta, guiada por un piloto, que expande un agujero hasta una profundidad determinada.

Velocidad tangencial en la superficie de la herramienta o pieza de trabajo en la interfaz de corte. La fórmula para la velocidad de corte (sfm) es diámetro de la herramienta 5 0,26 5 velocidad del husillo (rpm). La fórmula para el avance por diente (fpt) es avance de mesa (ipm)/número de canales/velocidad del husillo (rpm). La fórmula para la velocidad del husillo (rpm) es velocidad de corte (sfm) 5 3,82/diámetro de la herramienta. La fórmula para el avance de la mesa (ipm) es avance por diente (ftp) 5 número de canales de la herramienta 5 velocidad del husillo (rpm).

Fresa para cortar superficies planas.

Mecanizado con varias fresas montadas en un mismo eje, generalmente para corte simultáneo.

Operación de maquinado en la cual el material es removido de la pieza de trabajo por medio de una rueda abrasiva motorizada, piedra, banda, pasta, hoja, compuesto, lodo, etc. Toma varias formas: pulido superficial (crea superficies planas y/o cuadradas); rectificado cilíndrico (para formas cilíndricas y cónicas externas, filetes, muescas, etc.); rectificado sin centro; biselado; rectificado de roscas y formas; rectificado de herramientas y cortadores; molienda improvisada; lapeado y pulido (pulido con granos extremadamente finos para crear superficies ultrasuaves); bruñido; y rectificado de discos.

Máquina de torneado capaz de aserrar, fresar, rectificar, tallar engranajes, taladrar, escariar, taladrar, roscar, refrentar, achaflanar, ranurar, moletear, hilar, tronzar, estrangular, cortar cónicos y corte excéntrico y de leva, así como como giro escalonado y recto. Viene en una variedad de formas, que van desde manuales hasta semiautomáticas y completamente automáticas, siendo los tipos principales tornos de motor, tornos de torneado y contorneado, tornos de torreta y tornos de control numérico. El torno de motor consta de un cabezal y husillo, contrapunto, bancada, carro (completo con delantal) y carros transversales. Las características incluyen palancas selectoras de engranajes (velocidad) y avance, poste de herramientas, soporte compuesto, tornillo de avance y tornillo de avance inversor, dial de roscado y palanca de avance rápido. Los tipos de tornos especiales incluyen máquinas de husillo pasante, de árbol de levas y cigüeñal, de tambor y rotor de freno, giratorias y de cañón de pistola. Los tornos de taller y de banco se utilizan para trabajos de precisión; los primeros para trabajos de herramientas y matrices y tareas similares, los segundos para piezas pequeñas (instrumentos, relojes), normalmente sin fuente de alimentación. Los modelos generalmente se designan de acuerdo con su "giro" o la pieza de trabajo de mayor diámetro que se puede girar; longitud de la cama, o la distancia entre centros; y caballos de fuerza generados. Véase máquina de torneado.

Operación de mecanizado en la que se elimina metal u otro material aplicando potencia a un cortador giratorio. En el fresado vertical, la herramienta de corte se monta verticalmente en el husillo. En el fresado horizontal, la herramienta de corte se monta horizontalmente, ya sea directamente en el husillo o en un eje. El fresado horizontal se divide aún más en fresado convencional, donde el cortador gira en dirección opuesta a la dirección de avance, o "hacia arriba" en la pieza de trabajo; y fresado ascendente, donde el cortador gira en la dirección de avance, o "hacia abajo" en la pieza de trabajo. Las operaciones de fresado incluyen fresado plano o superficial, fresado final, fresado frontal, fresado en ángulo, fresado de formas y perfilado.

Operación de maquinado en la cual un macho, con dientes en su periferia, corta roscas internas en un agujero pretaladrado que tiene un diámetro menor que el diámetro del macho. Las roscas se forman mediante un movimiento rotatorio y axial combinado entre el macho y la pieza de trabajo. Ver grifo.

Asegura una herramienta de corte durante una operación de mecanizado. Los tipos básicos incluyen bloque, cartucho, mandril, pinza, fijo, modular, de cambio rápido y giratorio.

Yesenia Duran es una periodista independiente con sede en Chicago que cubre herramientas y tecnología de corte. Puede comunicarse con ella en [email protected].

Balance Systems Corp.248-308-3636www.balancesystems.com

GTI Spindle Technology Inc.888-473-9675www.gtispindle.com

Haimer EE. UU. LLC630-833-1500www.haimer-usa.com