Los talleres que deciden expandirse a nuevos mercados a menudo se ven impulsados a incorporar nuevos equipos de mecanizado o adoptar nuevos procesos para respaldar sus esfuerzos. En el caso de True Die, los avances logrados para diversificar su oferta de productos mediante la fabricación de herramientas redondas precisas para aplicaciones de conformado de chapa metálica por embutición profunda la han llevado a desarrollar una estrategia eficaz para el torneado en duro. El objetivo era eliminar la necesidad de rectificar el diámetro interior (DI) y el diámetro exterior (DE) de las herramientas redondas de metal en polvo endurecido (principalmente) de hasta 64 HRC, lo que le permitió alcanzar mayores tasas de arranque de material, a la vez que igualaba los resultados del rectificado en términos de concentricidad, acabado superficial y precisión dimensional. Esto lo ha logrado desde entonces, estableciendo la capacidad de tornear en duro diámetros y radios con una precisión de ±0,0002 pulgadas.

De hecho, dos de las máquinas recientemente incorporadas al taller de Zeeland, Michigan, son centros de torneado adquiridos principalmente para torneado en duro. Mitch Stahl, especialista técnico de True Die, dirigió a un equipo de maquinistas junto con Chris McCleary, coordinador de torneado, para establecer la estrategia de torneado en duro del taller. En resumen, afirma que el enfoque del taller se basa en tres conceptos interconectados: establecer la rigidez general del proceso, implementar las herramientas de corte adecuadas y aplicar los datos de corte adecuados.

La clave aquí es la interconexión. El Sr. Stahl sostiene que implementar solo uno o dos de estos conceptos no funcionaría; todos deben abordarse adecuadamente para un torneado en duro eficaz. «También es fundamental prestar atención a los pequeños detalles al implementar un proceso como este», señala.

True Die, anteriormente Contour Tool and Engineering antes de adquirirla en 2015, cuenta con experiencia en el diseño, mecanizado y ensamblaje de moldes de inyección de plástico y matrices progresivas. Cuenta con una amplia gama de equipos de mecanizado en sus instalaciones de 937 metros cuadrados, incluyendo fresadoras CNC, centros de torneado, rectificadoras y equipos de electroerosión por hilo y penetración.

Brian Brown, presidente de True Die, afirma que la industria del conformado de metales por embutición profunda representó una oportunidad para que el taller se diversificara hacia un nuevo mercado que complementa los demás. "Nuestra experiencia en la aplicación del estampado por embutición profunda nos posicionó como un proveedor de herramientas único, lo que nos permitió ofrecer soluciones tangibles y herramientas de mayor rendimiento al mercado", afirma el Sr. Brown. "Con más de 100 años de experiencia combinada en el diseño, desarrollo y producción de estampados embutidos, estábamos bien preparados y comprendíamos a fondo los requisitos específicos de esta industria".

En el momento de la compra, Contour fabricaba exclusivamente moldes y matrices. El desarrollo de una alianza estratégica con una empresa de estampación de embutición profunda, junto con dos clientes adicionales que brindaron diversificación y la oportunidad de un rápido crecimiento, permitió al taller complementar su oferta con el establecimiento de lo que el Sr. Brown denomina su "departamento de detalles", que proporciona componentes individuales para herramientas de embutición profunda nuevas y existentes, así como para equipos de ensamblaje automatizado. De hecho, el trabajo de detalles representa actualmente el 50 % de las ventas del taller, y la empresa ha crecido casi un 700 % en los dos años transcurridos desde su entrada en el mercado de los detalles.

Estas herramientas redondas se utilizan en matrices complejas, progresivas y de embutición profunda para crear componentes (normalmente cilíndricos) a partir de chapa metálica (comúnmente acero inoxidable), principalmente para aplicaciones automotrices, como componentes para sistemas de combustible, frenos y airbags. "Originalmente, supusimos que necesitaríamos una rectificadora cilíndrica de mayor capacidad para lograr las tolerancias y los acabados requeridos por las herramientas redondas", afirma el Sr. Brown. "Sin embargo, dada su experiencia con el torneado en duro, el Sr. Stahl sugirió que un proceso de torneado en duro alcanzaría la precisión que las herramientas requerían y un rendimiento más rápido que el rectificado debido a una mayor tasa de arranque de material. Además, también podríamos tornear eficientemente perfiles complejos en materiales endurecidos cuyo rectificado sería prohibitivo y posiblemente requeriría operaciones de rectificado de formas".

Dado que True Die es un taller de mecanizado, sus lotes de herramental redondo son pequeños (a menudo varían de una a seis piezas) y su gama de productos es amplia. La longitud del herramental puede variar hasta 20 pulgadas y los diámetros de 0,1 a 12 pulgadas, y muchas versiones presentan una alta relación longitud-diámetro (L:D).

El taller crea principalmente herramientas redondas a partir de barras de aleaciones de pulvimetalurgia, compuestas por partículas combinadas de diversos metales y elementos de aleación. La "receta" de pulvimetalurgia se comprime en forma de barra, que el taller mecaniza primero en su estado blando o "verde" antes del tratamiento térmico, que une las partículas individuales para crear el componente endurecido. Dependiendo de la aleación de pulvimetalurgia específica, la dureza de las herramientas en estado verde es prácticamente insignificante y puede mecanizarse eficazmente mediante métodos de torneado convencionales. Sin embargo, tras el tratamiento térmico, la dureza de las herramientas puede alcanzar los 64 HRC. Los aceros de pulvimetalurgia comunes que el taller mecaniza incluyen CPM 3V, 9V y 10V, así como M2 y M4.

El troquelado real suele dejar entre 0,010 y 0,012 pulgadas de material adicional después de tornear las herramientas en estado pretemplado para permitir posteriores pasadas de torneado en duro. Podría dejar más material en piezas que tienden a deformarse considerablemente después del tratamiento térmico, como aquellas con una relación L:D alta. En caso de deformación significativa, el reto no es tanto lograr tolerancias de tamaño, sino más bien tolerancias de concentricidad ajustadas. "A veces es más difícil enderezar una pieza deformada que ajustarla a la medida", afirma el Sr. Stahl.

Los dos centros de torneado True Die adquiridos recientemente para torneado duro son MazakModelos Nexus 250 II de Quick Turn con torretas de 12 estaciones (ninguna con estaciones de herramientas motorizadas). La primera de estas máquinas se adquirió en abril de 2016 y la segunda en agosto de ese mismo año, y ofrecen la rigidez que el taller necesitaba para sentar las bases de su proceso de torneado en duro, afirma el Sr. Stahl.

Según Mike Utter, representante del distribuidor de máquinas herramienta Maquinaria Addy(Grand Rapids, Michigan), quien vendió las máquinas a True Die, sus sistemas de guía de rodillos híbridos MX contribuyen de forma fundamental a su rigidez. "Los rodillos proporcionan mayor superficie de contacto que los rodamientos de bolas, pero con menor fricción que las correderas", explica. "El sistema también maneja eficazmente cargas pesadas, ya que los rodillos presentan una menor deformación elástica y proporcionan un alto grado de amortiguación, lo que prolonga la vida útil de la herramienta. Además, cuenta con un diseño tipo X que distribuye eficientemente la carga en cuatro direcciones: radial (sentido horario y antihorario), radial inversa y lateral, y reduce los errores de inversión al realizar movimientos en curvas". Además, se afirma que el motor de husillo integrado que utilizan estas máquinas proporciona una mejor concentricidad durante el corte con cargas pesadas que las máquinas con husillos accionados por correa.

El Sr. Stahl afirma que es igualmente importante considerar la rigidez de la sujeción y de la herramienta de corte durante el torneado en duro. Para solucionar el problema de la primera, el taller utiliza pinzas en lugar de mordazas para proporcionar una mayor superficie de contacto con la barra. "Además, la sujeción paralela es más fácil de lograr porque no se levanta la mordaza con las pinzas", explica el Sr. Stahl. "Todas las superficies de contacto también deben estar limpias, incluyendo la pieza de trabajo, la pinza y la punta del husillo".

True Die utiliza el HardingeEl sistema de cambio rápido de pinzas FlexC, presente en sus máquinas Nexus (así como en muchos otros centros de torneado del taller), ofrece una desviación total indicada (TIR) de 0,0004 pulgadas. FlexC también agiliza la configuración y el cambio de formato en comparación con los mandriles de garra convencionales. Este sistema incluye un conjunto de montaje de husillo, cabezales de pinza y una llave manual con gatillo de liberación, que permite instalar o cambiar manualmente los cabezales de pinza cuando el mandril de la máquina está liberado.

Los cabezales de pinza consisten en segmentos de acero endurecido unidos mediante un proceso de vulcanización. Al no tener vástago, los segmentos se mantienen paralelos al material. La sujeción paralela minimiza el retroceso del material y requiere menos fuerza de tracción para lograr la misma capacidad de agarre que las pinzas convencionales. Este sistema admite diámetros de barra de hasta 8,25 cm (3,25 pulgadas), y un cabezal de pinza FlexC típico tiene un rango de agarre de ±0,020 pulgadas (menor y mayor) que su tamaño nominal para adaptarse a las variaciones de tamaño de la barra sin necesidad de cambiar a una pinza de diferente tamaño. El taller utiliza mandriles estándar de tres y seis garras para diámetros de pieza superiores a 8,25 cm (3,25 pulgadas).

Para garantizar la rigidez de la herramienta de corte, primero es importante colocar las fresas a la altura correcta del centro de la herramienta, explica el Sr. McCleary. "Un descentramiento de tan solo 0,002 pulgadas puede causar vibraciones", añade. "Además, cuanto menor sea el diámetro de la pieza, más importante es la altura del centro de la herramienta". Esto se debe a que, a la misma distancia de la herramienta al centro de la pieza, el margen de error aumenta con diámetros de pieza más pequeños.

También se debe minimizar la holgura y el voladizo de la herramienta respecto al portaherramientas. Generalmente, el factor determinante es la holgura de la herramienta para torneado exterior al usar un contrapunto y la profundidad del agujero al mandrinar interiores. "Si la holgura genera vibración, el primer paso es modificar las velocidades y los avances", explica el Sr. McCleary. "El siguiente paso sería considerar un radio de punta de plaquita o una preparación del filo diferente para la herramienta de corte".

En casi todos los casos, True Die utiliza herramientas de corte de nitruro de boro cúbico (CBN) para torneado duro, principalmente de SumitomoEl taller ha descubierto que el CBN dura más que la cerámica para materiales muy duros, es más repetible y se puede procesar con refrigerante. La desventaja es que las fresas de CBN son más caras que las de cerámica. Normalmente, utiliza la calidad Sumiboron BNC200 para cortes continuos y la calidad BNC300 para cortes interrumpidos (aproximadamente el 25 % de las herramientas redondas tienen cortes interrumpidos). Se dice que estas plaquitas ofrecen un buen equilibrio entre resistencia a la fractura y al desgaste, y cuentan con un recubrimiento de nitruro de titanio y aluminio (TiAlN).

True Die utiliza insertos de diamante de 25 a 80 grados (generalmente de geometría negativa) y radios de punta de 0,004 a 0,031 pulgadas. Para el torneado exterior, se suele utilizar un inserto de 55 grados, con un radio de punta de 0,030 pulgadas para operaciones de desbaste y de 0,015 pulgadas para acabados. Para cortes con mucha interrupción, se utiliza un inserto de diamante de 80 grados, más resistente. Para operaciones de mandrinado, el taller suele utilizar un inserto de 80 grados con geometría positiva.

El Sr. McCleary afirma que existen ventajas y desventajas al elegir entre insertos con geometrías negativas o positivas. "Hemos comprobado que los insertos con geometría negativa son más resistentes que los de geometría positiva y, además, se pueden voltear para proporcionar cuatro filos útiles", explica. Sin embargo, estos insertos generan mayor presión de corte y ofrecen menos holgura. Un inserto de geometría positiva corta con mayor libertad y mayor holgura, pero presenta un filo más débil.

En cuanto a los datos de corte, no existen valores fijos para todas las aplicaciones de torneado en duro en True Die, ya que varían según el tipo de material, la dureza, la relación longitud/diámetro de la pieza, las condiciones de corte, etc. El taller puede operar desde tan solo 150 sfm para cortes con mucha interrupción en materiales muy duros hasta 550 sfm en materiales más suaves con una dureza moderada.

El Sr. Stahl afirma que la profundidad de corte (DOC) típica que el taller utiliza para operaciones de acabado es de 0,003 a 0,004 pulgadas, aunque los representantes de herramientas de corte han sugerido que la DOC debería ser al menos igual al radio de punta de la herramienta. Sin embargo, True Die ha descubierto que, en algunos casos, como cuando la relación L:D de la pieza es superior a 20:1, la presión de un corte más profundo causaría una deflexión excesiva de la pieza y, a menudo, impediría que mantuviera las tolerancias. Esta presión puede incluso generar tensión en la pieza, provocando su deformación.

Al dejar entre 0,010 y 0,012 pulgadas de material para retirar después del tratamiento térmico, se pueden realizar tres pasadas de torneado duro con un diámetro interior del centro (DOC) de 0,003 o 0,004 pulgadas o aproximadamente. De esta manera, la presión de la herramienta es la misma en cada pasada.

“Si la pieza anterior se tornea según las especificaciones, el operador debería poder retroceder la herramienta la misma cantidad de material que se acaba de retirar, de modo que la herramienta apenas roce la pieza”, explica el Sr. Stahl. “Luego, se trata de realizar la primera pasada para presentar una buena superficie para medir la pieza, realizar la segunda pasada y medir para asegurar que la operación se repita, y finalmente realizar la última pasada para que la pieza alcance su tamaño final”.

Este método permite al taller forzar una herramienta hasta que deje de repetirse. El desgaste es normal y previsible, y se puede controlar siempre que el inserto se desgaste a un nivel repetible. Sin embargo, si el filo actual no se repite, es necesario cambiar los insertos o indexarlos a un filo nuevo.

A excepción de los cortes interrumpidos, el taller utiliza refrigerante en casi todos los casos. No lo utiliza para eliminar las virutas ni lubricar, sino para mantener la pieza fría. "A veces, dirigimos el flujo de refrigerante lejos de la punta inerte, incluso hacia el lado opuesto de la pieza en algunos casos", explica el Sr. McCleary. "Los materiales de metal en polvo de alta dureza generan mucho calor durante el torneado en duro, hasta el punto de que la expansión térmica puede superar nuestras tolerancias admisibles. Además, si no se utiliza refrigerante, el operario tendría que enfriar la pieza después del torneado en duro antes de medirla. El uso de refrigerante nos permite medir una pieza al instante". El taller no utiliza refrigerante para cortes interrumpidos debido a la posibilidad de fractura térmica del filo.

Una de las dos máquinas Quickturn Nexus de True Die está reservada para trabajos de torneado en duro, mientras que la otra se utiliza a veces cuando se necesita capacidad para torneado convencional. De hecho, el Sr. Stahl cree que es importante dedicar un centro de torneado a procesos de torneado en duro, siempre que sea posible. "Si se tiene suficiente trabajo para completar la programación de una máquina con operaciones de acabado de torneado en duro, ¿por qué sobrecargarla también con desbaste?", pregunta. "A largo plazo, es mejor mantener una máquina dedicada al torneado en duro, ya que creo que prolonga la duración de la misma para realizar eficazmente esas operaciones precisas. Además, permite mantener todas las herramientas de torneado, refrentado y mandrinado adecuadas configuradas en la máquina, lo que agiliza los ajustes. Dicho esto, no siempre es práctico dedicar una máquina al torneado en duro, especialmente en un taller de bajo volumen y alta variedad de trabajos".