Cómo funciona: laminado de hilo de precisión

En Horst Engineering & Manufacturing Co., los centros de torneado multieje Citizen Swiss de un año de antigüedad y los tornos multieje Eurotech producen componentes mecanizados completos de alta precisión. Giran, taladran, fresan e incluso roscan. Sin embargo, en la misma pequeña fábrica de East Hartford, Connecticut, la empresa hermana de Horst Engineering, Thread Rolling Inc., utiliza roscadoras de rodillos Waterbury, Hartford y Reed de cincuenta años de antigüedad para formar roscas externas con un proceso secundario especializado, pero elegantemente simple..No todas sus máquinas son antiguas. Gran parte del equipo ha sido renovado y las máquinas más nuevas se combinan con las antiguas. Por eso es apropiado que establezcan su hogar en la sección más histórica de la antigua fábrica, donde un piso de bloques de madera de cincuenta y cinco años simboliza el negocio familiar de sesenta años.

El laminado de hilo es un proceso que existe desde hace más de cien años y hay máquinas en servicio que, en comparación, hacen que las de cincuenta años parezcan jóvenes. Los rodillos de rosca vienen en una variedad de tipos y tamaños, pero todos utilizan un mecanismo en el que se combinan matrices de acero endurecido y se configuran para penetrar con fuerza para remodelar la superficie del material de un diámetro redondo en forma de rosca. Se introduce una pieza de trabajo cilíndrica o pieza en bruto en la máquina (manual o automáticamente) y las matrices giran (troqueles cilíndricos) o oscilan (troqueles planos) para producir roscas en un proceso de conformado "sin virutas". Cada forma, forma y tamaño de rosca tiene un conjunto único de matrices que generalmente se muelen a partir de acero para herramientas tratado térmicamente (generalmente Rockwell C 58-62) y se adquieren, en lugar de fabricarse internamente.

El laminado de roscas es principalmente un proceso de conformado en frío que se realiza a temperatura ambiente, pero existe un nicho para el laminado en caliente cuando los materiales son mayores que Rockwell C 45, porque la vida útil del troquel se vería seriamente comprometida. Al igual que el rectificado sin centros, su proceso hermano, el proceso de laminado de roscas puede ser de alimentación interna o directa. El laminado de roscas es el método elegido para aplicaciones de roscado de producción de gran volumen. Las roscadoras de rodillos planetarios son capaces de formar roscas en decenas de miles de piezas por hora. Las máquinas alternativas de matriz plana inclinada o vertical de alta velocidad también pueden generar altas tasas de producción, y las máquinas cilíndricas horizontales de dos matrices pueden producir rápidamente miles de pies de varilla roscada.

Muchas de las cosas que se consiguen en la ferretería local, como tornillos para madera, tirafondos y tornillos para metales, se produjeron en masa con la ayuda de máquinas laminadoras de roscas. Las roscas Acme, de contrafuerte, de gusano, cuadradas y de tubería son sólo algunas de las formas únicas que se pueden producir mediante laminación de roscas; sin embargo, las roscas de tipo tornillo de máquina son las más familiares para las personas en la industria del mecanizado de precisión.

En un extremo del espectro, el laminado de roscas automatizado de gran volumen es interesante debido a la velocidad y la estabilidad dimensional del proceso, pero la producción de sujetadores y piezas de calidad comercial es una práctica relativamente común. En el otro extremo del espectro, está el nicho muy especializado del laminado de roscas de alta precisión, principalmente en pequeños lotes de piezas. Algunas industrias de alta tecnología, incluidas la aeroespacial y la de deportes de motor, requieren roscas con tolerancias extremadamente ajustadas con acabados superficiales estupendos y la resistencia adicional inherente a las piezas fabricadas con el proceso de conformado. Thread Rolling Inc. utiliza una combinación de máquinas cilíndricas verticales de tres troqueles, máquinas alternativas de troquel plano horizontal y máquinas cilíndricas horizontales de dos troqueles para producir roscas de precisión.

La atención se centra en producir una variedad de roscas de alta precisión para tornillos de máquina, concentrándose en las formas de rosca estándar unificadas y métricas de 60º más comunes en la industria aeroespacial. Los hilos más comunes enrollados aquí son Clase 2A y Clase 3A en formas UNF, UNC, UNJF y UNJC. Las roscas en forma de "J" tienen un radio de raíz controlado más grande para mayor resistencia en el área de alta tensión de una rosca y son comunes en la industria aeroespacial. La inspección dimensional de hilos de alta calidad es diferente a la variedad comercial. Las especificaciones varían, pero los estándares aeroespaciales y militares exigen que se utilice un calibre de rosca indicador para inspeccionar el diámetro de paso y las dimensiones asociadas.

La inspección de los diámetros de paso se realiza con calibres de tipo indicador tanto de forma completa como de elemento único que se configuran con maestros de roscas. Los calibres de anillo de rosca pasa/no pasa se utilizan solo como referencia. Los micrómetros de diámetro exterior estándar se utilizan para inspeccionar los diámetros mayores y los comparadores ópticos se utilizan para verificar los diámetros menores y los radios de las raíces. Con todos estos calibres disponibles en el taller, un operador de laminado de hilo puede monitorear el proceso y realizar ajustes rápidamente. El desgaste de la matriz y otras variables pueden afectar el proceso de laminación, pero una vez que se configura la máquina, el proceso es consistente y repetible.

Las roscas formadas se prefieren para aplicaciones críticas y de alta resistencia como las que se encuentran en la industria aeroespacial. Los hilos laminados, especialmente en piezas tratadas térmicamente, tienen mayor resistencia a la tensión, al corte y a la fatiga. No se elimina ningún material durante el proceso de laminado, lo que elimina una de las debilidades inherentes de las roscas cortadas o rectificadas. Las propiedades conformadas en frío incluyen una mayor densidad de granos de material o moléculas, especialmente cuando se han compactado a lo largo del flanco inferior de cada paso de rosca y en la raíz de la rosca.

Los metales aeroespaciales pueden ser difíciles de mecanizar y formar, por lo que los accesorios de roscado comunes utilizados en máquinas de tornillo y tornos para trabajos de mayor volumen tienen dificultades para cumplir con los requisitos de calidad de las roscas de precisión. La fuerza necesaria para formar roscas en acero aleado tratado térmicamente o en piezas de aleaciones exóticas fabricadas con Inconel® o titanio no se puede lograr de manera efectiva sin el uso de equipos dedicados. Thread Rolling Inc. se centra en roscas de menos de 1,500 pulgadas de diámetro, pero las roscas laminadas se producen en sujetadores de hasta 5,00 pulgadas e incluso más grandes. Se necesita mucha fuerza, hasta treinta o cuarenta toneladas de presión de rodadura generada por máquinas muy grandes, para mover esa cantidad de material. Algunos hilos se consideran tan críticos que se requiere un proceso de muestreo de prueba destructivo para examinar microscópicamente cada paso de un hilo a 500X.

Las roscas formadas correctamente requieren que las matrices estén exactamente alineadas o "emparejadas". Ya sea que el proceso utilice dos o tres troqueles, estos deben realizar un seguimiento adecuado para evitar defectos internos, como superposiciones, grietas, pliegues, uniones y cráteres. El método de inspección destructiva de roscas se utiliza para identificar defectos internos y verificar que se haya logrado el flujo de grano del material adecuado. Se prueban muestras representativas al comienzo de cada nueva configuración y periódicamente durante el transcurso de una ejecución de producción.

El proceso de prueba requiere que las roscas se corten del resto de la pieza, se corten longitudinalmente, se monten en una resina epoxi, se esmerilen y se lape hasta obtener un acabado de tres micrones, se graben para revelar la microestructura y se inspeccionen microscópicamente. Todo el proceso lleva poco más de una hora, pero requiere equipo de inspección y preparación metalográfica especializada. Debido a que la producción se detiene para realizar pruebas, se requiere una variedad de máquinas, por lo que los maquinistas trabajan en varios trabajos al mismo tiempo, alternando entre procesos de rectificado, roscado y prueba.

Muchas veces, las piezas se reciben para servicio en embalajes a granel, pero cuando se devuelven con hilos de precisión brillantes, se empaquetan individualmente con protectores para evitar daños durante el envío. Un día reciente, un empleado estaba empacando un único contenedor azul forrado con espuma acolchada.

El inserto de espuma fue troquelado para un único eje prototipo. Esta pieza de cuarenta y cinco centímetros estaba enrollada con hilo en ambos extremos. La pieza había sido diseñada y fabricada para acomodar hilos laminados. Eso significó que los diámetros de rosca del pre-laminado fueron correctamente biselados y rectificados al diámetro de paso correcto, un diámetro hipotético entre los diámetros mayor y menor, que se utiliza para determinar el tamaño de la rosca. Este trabajo en particular no requirió pruebas destructivas, pero se produjeron piezas de montaje a partir de material similar para poder configurar las máquinas. Con un tamaño de lote de una sola pieza, no hay margen de error, y los maquinistas altamente cualificados lo sabían.

Los hilos laminados de la más alta calidad se producen a partir de espacios en blanco de la mejor calidad. Por esa razón, la mayoría de las piezas enviadas a Thread Rolling Inc. se dejan sobredimensionadas para que el proceso de dimensionamiento final pueda controlarse mediante rectificado sin centros. Una vez que se ha rectificado el tamaño correcto, generalmente mediante un asociado de roscado y un asociado de rectificado que trabajan juntos, las piezas se rectifican hasta su tamaño final dentro de 0,0004 pulgadas mientras se mantiene la redondez dentro de 0,000050. Antes del laminado del hilo, el acabado superficial del diámetro siempre es mejor que 32 micropulgadas. Gracias a la acción de bruñido de las matrices, el acabado después del laminado, especialmente en los flancos, puede llegar a 4 micropulgadas, dependiendo del material y la dureza. El acabado es otra razón para elegir pasar por encima de otros procesos de roscado.

La falta de controles CNC en la mayoría de los equipos significa que el proceso no es tan fácil de usar como el mecanizado de tornillos, el torneado o el fresado. Es difícil explicar a los clientes que el diámetro mayor en realidad aumenta de tamaño cuando se lamina. Algunos no quieren creer que pueden girar sus piezas en bruto por debajo del diámetro mayor y que sus piezas no se desecharán. Por ejemplo, una rosca.250-28 UNF-3A tiene un diámetro de paso de.2268-.2243 y un diámetro mayor de.2500-.2435. El tamaño de la pieza en bruto antes del roscado del rodillo estará cerca del diámetro de paso máximo y el material desplazado por las matrices se formará hasta quedar dentro de la tolerancia del diámetro mayor.

La gente de Thread Rolling Inc. escucha con frecuencia que los clientes han evitado trabajos que requieren laminado de hilo porque el proceso parece difícil, misterioso o fuera de su control. El proceso es único, pero dentro de la industria del conformado de precisión, hay muchos especialistas en este oficio. El proceso simplemente no puede realizarse tan fácilmente como cabría esperar en el entorno actual, donde las máquinas multieje “que lo hacen todo” realizan su trabajo automáticamente. Se necesita mucha “sensación” para ser un operador exitoso de laminado de hilos. El laminado de roscas de alta precisión es un proceso práctico que llegó para quedarse.