Soluciones de fijación:

HERRAMIENTAS
20
Foto: www.gtma.co.uk
Soluciones de fijación:
Mano firme para el mecanizado
Camilo Marín Villar
Editor
La revolución
del montaje.
Hasta hace pocos años, los
sistemas de fijación rápida,
las mordazas intercambiables
y las torres para el amarre en
grupo eran las tecnologías
más avanzadas disponibles
en la industria del
mecanizado, hoy las cosas
son a otro precio. Cada vez
es más frecuente emplear
garras modulares, bloques
magnéticos, sistemas de
fijación en punto cero y por
vacío. En suma, todo un
universo de alternativas.
Sin duda alguna, la sujeción en el mecanizado, bien sea
en máquinas convencionales o de control numérico, es
fundamental y representa uno de los elementos de mayor relevancia para alcanzar los objetivos del proceso.
De una correcta sujeción dependen la seguridad, la productividad y la calidad del trabajo.
De hecho, hoy en día los fabricantes de estos sistemas
cuentan con modernos centros de investigación y desarrollo (I+D) dedicados, exclusivamente, a mejorar las
tecnologías de amarre, hasta el punto que la fijación se
ha convertido en toda una ciencia. La ciencia del reglaje.
El montaje o reglaje de la pieza; es decir, el conjunto
de acciones metódicas de sujeción en los procesos de
arranque de viruta, es la obsesión de muchos ingenieros
y profesionales de la industria, quienes buscan soluciones sencillas y flexibles, que soporten fuertes cargas de
trabajo, eliminen tiempos muertos y eleven la productividad para ser más competitivos.
WWW.METALACTUAL.COM
HERRAMIENTAS
Actualmente, existe una gran variedad de componentes de sujeción
para operaciones de mecanizado,
desde las tradicionales prensas, las
mordazas, los portaherramientas y
las bridas, hasta los más sofisticados
sistemas automatizados.
En medio de un portafolio tan variado, la mayoría de los talleres en
el mundo utilizan las prensas mecánicas como su herramienta primaria de sujeción. Lo cual no está mal,
pues existen excelentes razones para
esto. Entre otras ventajas, dichos útiles ofrecen fuerza de amarre, economía y versatilidad.
No obstante, en ocasiones, los talleres omiten dentro de la planeación,
que se le debe aplicar al proceso de
mecanizado, factores muy importantes para la elección de su sistema de
fijación y, ya que el más adaptable y
eficiente método en cuanto a costo
es una prensa, cierran sus puertas a
otras alternativas.
Una buena ingeniería de
sujeción debería permitir que
las máquinas herramientas
no paren de cortar.
Una mirada a los desarrollos
de sujeción
• Prensas: Según el ingeniero Córdoba, experto en mecanizado de alta
velocidad y aplicaciones automatizadas, en sus diferentes estilos y
variedad, las prensas representan
los sistemas más utilizados por los
profesionales del mecanizado. En
la actualidad estos dispositivos cubren un rango de configuraciones
que van desde simples modelos de
estaciones sencillas, hasta diseños
muy elaborados con estaciones
múltiples, la mayoría de ellas son
fabricadas con hierro y acero dúctil para obtener máxima fuerza de
agarre y características como la solidez y la atenuación de vibraciones.
De hecho, las prensas de acero dúctil tienen una resistencia de 80.000
psi; además, comparadas con las
prensas de aluminio –también empleadas para el arranque de viruta– tienen una rigidez 2,5 veces
mayor y un amortiguamiento de
las vibraciones 20 veces más alto.
La mayoría de las prensas consisten
en una base de montaje o cuerpo
que se asegura a la mesa de mecanizado; una mordaza estacionaria
contra la cual se coloca el material
a mecanizar; una mordaza móvil y
el mecanismo de tornillo. Al apretar, la mordaza móvil es empujada
hacia delante por el tornillo, sujetando la pieza de trabajo contra
la mordaza estacionaria. Esta acción de agarre sostiene la pieza
en forma firme y segura mientras
que la operación de mecanizado
se realiza.
En general, todos los desarrollos
modernos de prensas surgieron a
partir del concepto básico original
de la prensa de precisión de estación sencilla, también conocida
como anglock.
El diseño de la prensa anglock aparece en los años 50 por la necesidad
de corregir los problemas de las
prensas convencionales de tornillo,
que al ser sometidas a presión se
desalineaban, causando constantes problemas de operación de las
piezas. Las piezas de trabajo se levantaban y tenían que ser forzadas
en posición por golpes de mazos u
otros objetos pesados para poder
realizar la tarea de mecanizado.
Como lo dice, el profesor Ernesto
Córdoba, director del Grupo DIMAUN, vinculado a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de
Colombia explica, “para resolver las
necesidades de sujeción de una operación específica de mecanizado, es
necesario ver la película completa
y no sólo quedarse con la fotografía. En otras palabras, si un taller
quiere ser competitivo en el mercado actual, conviene analizar todas
alternativas”.
Precisamente, el siguiente artículo
describe algunas de las soluciones de
fijación para mecanizado que ofrece
la industria. Se trata de vislumbrar el
panorama, las ventajas de los nuevos desarrollos y sus limitantes.
Además, se abordará el tema de la
selección y los parámetros que se deberían considerar al elegir el sistema
de fijación más apropiado.
WWW.METALACTUAL.COM
A diferencia de las prensas
simples. Las prensas de estación
múltiple permiten sujetar varias
piezas para aprovechamiento
del husillo, reducen tiempos
de cambio de herramientas así
como las distancias de recorrido
del herramental.
Fotos: www.gerardiusa.com
21
HERRAMIENTAS
La prensa de precisión, originalmente diseñada con una sola estación, resultó única en el sentido
que incorporaba un segmento esférico en la mordaza móvil impulsada por una tuerca angular. La
cual, al apretar, ejerce una fuerza
que actúa hacia abajo en la pieza
de trabajo; y, por tanto, mantiene
un firme contacto con la base de la
prensa y las dos mordazas, sin tener que recurrir al golpe. Este tipo
de prensa alinea y sujeta las piezas
de trabajo con más precisión y seguridad que cualquier tipo anterior de amarre de tornillo.
Lo más significativo del diseño anglock es que permitió tanto a las
más sencillas fresadoras verticales
hasta lo último en máquinas CNC,
sujetar las piezas en su estado más
inmóvil posible. Los resultados de
firmeza y atenuado de vibraciones permitieron utilizar prensas
más ligeras, para ser colocadas y
fijadas manualmente en la mesa
de trabajo, lo que contribuyó a su
popularidad.
A partir de este innovador desarrollo, se crearon las prensas de
estación doble (con dos mordazas
estacionarias y dos móviles), de estación múltiple (que incluyen más
de dos pares de mordazas), la autocentrable (con mandíbulas que
pueden abrirse y cerrarse al mismo
tiempo, y posicionan exactamente
la pieza en la línea central de la
prensa), los dispositivos hidráulicos
y neumáticos, los módulos verticales, y muchas otras.
• Sistemas de sujeción modulares: En
la medida que los costos del mecanizado aumentan, también crece
la necesidad de evitar que las máquinas estén desocupadas. En este
sentido, los tiempos de los montajes, de carga y descarga (tiempos
muertos), deben reducirse al mínimo, una solución a esto la constituyen las prensas y dispositivos de
fijación modular.
Los desarrollos de amarre modular
son conjuntos de elementos constructivos estandarizados, que se
integran entre sí, mediante un sistema interno normalizado (roscas
estándar, ranuras en T, etc…) sobre
Sistemas de sujeción modular
tipo torre (vertical) y pallet
(horizontal).
Foto: www.gerardispa.com
22
matrices con agujeros, que ofrecen
diversas soluciones de fijación al
usuario, con exactamente los mismos componentes, para el montaje
de una o varias piezas.
Algunos componentes estándar son:
- Placas base.
- Módulos constructivos.
- Elementos de apoyo.
- Topes y elementos de posicionamiento.
- Prensas de sujeción rápida.
- Elementos de adaptación.
La mayoría de componentes vienen
en diferentes tamaños y configuraciones, lo que facilita su manipulación. Son apropiados para aquellas
aplicaciones que requieren prensas
de sujeción y dispositivos especiales
para ejecutar cambios rápidos. Este
es un sistema único que proporciona versatilidad, velocidad y exactitud en el posicionamiento de piezas.
Los elementos de sujeción se
vuelven piezas claves para
maximizar el “tiempo útil”.
En el mundo moderno de la
metalmecánica, este tipo de
ganancias representa la diferencia
entre ser competitivo o no.
Aunque, en general los componentes son instalados directamente
sobre la mesa de trabajo de la máquina, existen matrices que hacen
las veces de base para armar allí los
dispositivos complementarios. Estas
bases, pueden ser horizontales como
pallet, o verticales como una torreta,
ambas están endurecidas mediante
tratamientos térmicos y tienen una
superficie dentada que se sujeta, firmemente, a la mesa a través de pernos u otros sistemas de amarre.
Las placas tienen una superficie
cuadriculada, que sirve como base
de colocación para montajes muy
rápidos y precisos. La modularidad
de estos dispositivos permite al
usuario configurar diferentes variables y arreglos, incluso fuera de la
máquina, así no es necesario detener el proceso, lo que agiliza el trabajo y aumenta la productividad.
Tanto las torretas como las placas
(pallet) tienen la capacidad de recibir dos o más montajes para mecanizar piezas diferentes en un solo
ciclo de trabajo.
Actualmente, existen innumerables sistemas de fijación modular,
que además de ser flexibles y pueden adaptarse según el requerimiento, pueden diferenciarse, entre otras cosas, por el método de
amarre a la mesa de la máquina.
Estos son los más comunes:
WWW.METALACTUAL.COM
a) Mecánicos: En este caso, las placas, las torres y las
prensas modulares se fijan a través de sistemas dentados, pernos o tornillos, con cabeza allen, a las ranuras en T de la mesa de las fresadoras, los centros y
las máquinas de rectificado.
Los sistemas dentados de sujeción y la fijación mecánica permiten la manipulación de todas las variables
encontradas en arreglos de alta densidad de piezas.
Las mordazas estacionarias se pueden colocar en el
área de la mesa donde sea necesario y pueden producirse en una amplia variedad de materiales para
adecuarse a las necesidades de sujeción.
b) Fijación hidráulica: es un método eficiente para la fijación de piezas con diversos contornos geométricos,
muy adecuado para la fabricación en serie, que emplea dispositivos con fuerza hidráulica para realizar
el amarre de la pieza.
c) Fijación punto cero: Desde su aparición los sistemas
zero-point, se han convertido en una revolución
dentro de la fijación, ya que ahorra hasta el 90% del
tiempo de preparación del mecanizado, pues el posicionamiento y el apriete se producen en una misma
fase de trabajo.
En esencia, es un sistema que combina una matriz
cuadriculada con agujeros en la cual se acopla el
montaje con la pieza de manera rápida y eficiente,
a través de bulones o pernos que se clavan en los
agujeros de la matriz de forma exacta y ajustan por
autobloque.
Foto: www.piersonworkholding.com
Cuando se coloca el dispositivo de punto cero en la
cama de una máquina puede ser localizado en el mismo punto todas las veces que se necesario, para asegurar la repetibilidad de la localización x, y, z.
Los sistemas de sujeción modular con fijación
mecánica se pueden montar por fuera
de la máquina, lo cual evita detenciones
improductivas del mecanizado y mejora,
ostensiblemente, la productividad.
WWW.METALACTUAL.COM
23
24
HERRAMIENTAS
Este es uno de los sistemas más rápidos y eficientes que existen, con
una reducción del 95% de los tiempos muertos por cambio y recambio de piezas.
Para reducir aún más el tiempo de
alistamiento, las piezas pueden ser
montadas en pallets fuera de la
máquina. Esto reduce los tiempos
de ciclo y aumenta el tiempo total
de actividad de la máquina. Si el
alistamiento normal de una máquina toma 30 minutos, con el punto
cero se reduce a 30 segundos, esto
es 60 veces más rápido.
Fotos: www.fabricatingandmetalworking.com/
Otras ventajas diferenciales de este
sistema son la utilización de acero
inoxidable endurecido para la fabricación de los bulones, además
cuentan con un dispositivo de seguridad integrado que no permite
mecanizar si no hay un acople o
enclavamiento perfecto entre el
montaje y la matriz.
Sistema de fijación
en punto cero.
Foto: www.mmmanews.org.uk
La exactitud con la cual trabajan
los pernos de posicionamiento de
punto cero es de 0,005 mm, mientras la fuerza de amarre alcanza
de 35.000 N a 50.000 N. El sistema
punto cero hace que operaciones
de corte muy exigentes sean posibles gracias a la enorme rigidez
que proporciona. Incluso las fuerzas de torsión extremadamente altas pueden ser absorbidas.
Sujeción magnética.
d)Fijación magnética: Para este
tipo de sujeción se emplean
placas con imanes electrónicos
de 50, 75 y 100 milímetros que
atraen el material de la pieza
metálica. El cambio de la pieza implica tan sólo levantarla,
limpiar la superficie e instalar la
siguiente. El proceso total toma
15 segundos.
Este es un sistema único que
proporciona versatilidad, velocidad y exactitud en el posicionamiento de piezas de trabajo.
e) Fijación por vacío: Los componentes de sujeción por vacío se
adhieren de forma fácil, rápida
y fiable sobre las placas matriz
de una máquina de mecanizado, gracias a que cuentan con
un sistema interno que suprime
la presión del aire entre la placa y el componente. Es precisamente la diferencia de presión
entre el espacio evacuado de
una pieza y la presión atmosférica natural sobre el dispositivo
la que permite sujetar las piezas
sobre la placa.
Al cortar productos metálicos, los
sistemas de sujeción por vacío en
forma de placas matriz, cuyo cuerpo base consiste es aluminio de
alta resistencia, han demostrado
ser uno de los más eficientes. Los
fabricantes los producen con dimensiones normalizadas y en diferentes tamaños. Además, las matrices se pueden conectar una con
otra para ampliar el área de trabajo. Así, en cuestión de segundos,
la pieza queda sujeta en plano, de
forma segura y precisa.
Es una sujeción en plano (sin elementos obstructivos) la cual evita
que se produzcan vibraciones y marcas de rectificado. Sin embargo, en
comparación con las placas de fijación magnéticas, las placas por vacío
tienen menos fuerza de retención.
Con la ayuda de placas de vacío incluso se pueden sujetar de forma
fiable piezas delgadas o láminas de
metal, para las que el campo magnético de las placas de sujeción magnéticas no proporcionaría sujeción,
como las piezas no ferromagnéticas.
WWW.METALACTUAL.COM
HERRAMIENTAS
Al igual que la sujeción modular magnética, el vacío permite liberar la pieza de artefactos de fijación mecánica
que obstaculicen el área de corte, con ello la herramienta puede mecanizar las cinco caras de la pieza de manera eficiente y sin interrupciones.
• Arreglos a la medida: La elaboración de sus propios accesorios de sujeción, hechos a la medida (fixtures), es
otra de las alternativas frecuentemente utilizadas por
los profesionales del mecanizado. Se trata de mecanizar
bridas, prensas de ajuste rápido, cuñas o calzos con diseños personales y adaptados exactamente a los requerimientos del usuario.
Al ser exclusivos y especiales tienen un costo más elevado que los dispositivos estándar, casi siempre se elaboran
para producción de altos volúmenes de piezas y ofrecen
una solución puntual. Típicamente, estos arreglos utilizados tanto en centros de mecanizado horizontales
y verticales, están diseñados para una completa y fácil
descarga de piezas al final de cada ciclo de mecanizado.
La mayoría de los sujetadores utilizados en estas aplicaciones son del tipo brida, cuña, abrazaderas o clamps.
Cuando un taller planea fabricar sus propios arreglos, el
resultado dependerá de la experiencia y las necesidades
particulares del mecanizado.
Ventajas y limitantes de los sistemas de fijación modular
Ventajas
•
•
•
•
Elevada precisión y repetitibilidad del proceso productivo.
Incremento significativo de la productividad.
Capacidad para realizar piezas con contornos complejos.
Flexibiliza los cambios de producción (cambio automático de herramienta, menos deshecho, producción más segura y de mejor calidad).
• Realización más rápida de prototipos.
• Reducción de tiempos de diseño.
Limitantes
• Necesidad de personal especializado.
• Mayores inversiones en maquinaria.
• Si los sistemas son automatizados se requiere disponer de conocimientos sobre programación e informática
• Mantenimiento más complejo.
25
HERRAMIENTAS
Fotos: de.schmalz.com
26
La elección
Frente al tema de la elección, el ingeniero Ernesto Córdoba, asegura que
en una correcta selección, lo primero es analizar aquellos aspectos productivos, propios del proceso, que
impactan el tipo de sujeción a emplear. Al tomar esta decisión hay que
considerar aspectos básicos como el
tamaño, la configuración, los ciclos
de trabajo, la forma y el volumen de
la pieza, su material, la velocidad de
la máquina, la tasa de alimentación,
así como la cantidad de piezas a ser
producidas.
Así mismo, es preciso analizar los
pormenores del sistema, para establecer si cumplen o no con los requerimientos del proceso.
Según Córdoba: “sin excepción,
tanto los métodos convencionales
como las más avanzadas tecnologías de fijación deben cumplir ciertos requisitos básicos en el proceso
de mecanizado, tales como: exactitud y precisión en el posicionamiento de la pieza; adecuada estabilidad
y rigidez, las cuales permitan soportar las cargas dinámicas propias
del corte; flexibilidad y agilidad,
para reducir o eliminar el tiempo
La sujeción por vacío emplea
bombas neumáticas para
reducir la presión del aire entre
el componente de amarre y la
pieza, con respecto a la presión
de la atmosfera.
del ciclo de agarre de la pieza; repetitividad y, finalmente, una adecuada relación entre el costo y la
rentabilidad”.
“Si un sistema de fijación no cumple
estos cinco parámetros no es útil y
habrá que corregirlo o reemplazarlo
totalmente”, añadió el experto.
A continuación se describen los detalles de cada uno de estos factores:
• Posicionamiento: el principal objetivo de los sistemas de sujeción es
posicionar y fijar la pieza en el área
de trabajo, con relación a la máquina y la herramienta, mientras
que es mecanizada bajo diferentes especificaciones, dimensiones y
tolerancias.
El dispositivo de amarre debe garantizar que la trayectoria de la
herramienta de corte este libre
(no obstruida) para que pueda acceder al rango de la pieza, preservando la vida útil de la máquina y
las herramientas. Según las características propias de la pieza, cada
maquinado puede tener una o más
direcciones de acercamiento (ataque) de la herramienta; en todo
caso, el elemento de sujeción no
debe interferir con ninguna de las
rutas de corte.
La secuencia lógica de los cortes es
una de las consideraciones a tener
en cuenta a la hora de seleccionar
el sistema apropiado de fijación,
pues el operario debe cuidar que
las prensas o anclajes no entorpezcan el proceso. Por ejemplo, para
una pieza a la cual se le deben realizar cierto número de agujeros y
una operación tipo chaflán es conveniente efectuar primero los taladrados, pues si el chaflán se mecaniza primero aumenta el riesgo de
que la pieza no pueda ser sujetada firmemente por una prensa de
mordazas, debido a la disminución
de la superficie de apoyo.
• Estabilidad y rigidez: es indispensable que el sistema de fijación
garantice la fuerza de sujeción
necesaria para soportar las cargas
del mecanizado, sin deformar la
pieza o dañar las herramientas, y
los dispositivos de la máquina, o
afectar la integridad física de los
trabajadores.
Además, debe maximizar la tasa
de arranque de material, mediante
un agarre correcto; minimizar los
problemas estáticos y dinámicos
(vibraciones forzadas y castañeo)
en piezas de formas complejas,
baja rigidez y paredes delgadas y
permitir alcanzar los objetivos de
precisión y de acabado superficial.
Cabe aclarar que la aplicación de
altas fuerzas de fijación no necesariamente proporciona mayor estabilidad, es importante obtener un
balance apropiado entre los valores
de rigidez y el amortiguamiento.
• Flexibilidad: las operaciones y los
componentes de montaje ideales
deben promover la flexibilidad de
la secuencia de trabajo, la carga
y descarga de las piezas en cada
ciclo de mecanizado, así como la
agilidad con la que se realizan los
trabajos.
Entre más flexibles sean los dispositivos de sujeción, mayor será la
capacidad del taller de mecanizar
piezas de diferentes tamaños y
materiales, menos serán los tiempos muertos por detenciones de la
máquina y los procesos serán susceptibles de ser automatizados o
integrados a células de fabricación.
WWW.METALACTUAL.COM
Foto: www.mmmanews.org.uk
Sujeción hidráulica
• Repetitividad: este es uno los parámetros más importantes de cualquier máquina convencional o CNC de arranque de viruta y, por ende, de los componentes que las
integran. Cualquier tipo de prensa o brida, debe reducir
al mínimo el número de pasos y las variantes del proceso, facilitar su ejecución y sencillez, con el fin de que
pueda ser estandarizado y repetible. En suma, los elementos de fijación deben permitir recrear con exactitud
el mismo corte muchas veces.
• Rentabilidad: un sistema de amarre que provea buen
posicionamiento, estabilidad y flexibilidad hacen que
los mecanizados sean repetitivos y que se ejecuten sin
interrupción en un funcionamiento de varios turnos,
lo que incrementa la rentabilidad de la máquina y del
taller.
El dispositivo correcto también contribuye a preservar la
vida útil de la herramienta y los recambios más económicos. Es por ello que elegir bien la sujeción compensa
por partida triple a la empresa metalmecánica: a corto
plazo, por una mayor productividad; a medio plazo, por
el menor desgaste de material, piezas y máquinas-herramientas; y a largo plazo, por la capacidad competitiva
de la empresa.
Fuentes
• Ernesto Córdoba Nieto. Profesor titular del Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia.
[email protected]
• www.es.schunk.com - www.interempresas.net - www.gtma.co.uk
- www.fabricatingandmetalworking.com - de.schmalz.com - www.
stolle-plates.es - spanish.kurtworkholding.com
WWW.METALACTUAL.COM
27

Download Report