Caso práctico de West Ohio Tool Million Hole Drill

West Ohio Tool Co., un taller especializado en herramientas de corte de Russells Point, Ohio, necesitó seis años de experimentación y ensayo y error, junto con sus conocimientos sobre el rectificado de herramientas, para desarrollar su propia herramienta de corte comercial. La revolucionaria herramienta es una broca maciza de diamante policristalino (PCD) que genera de 800,000 a 1'000,000 de orificios en aluminio fundido a presión sin necesidad de reafilado ni repasado. Esa durabilidad significa mucho menos tiempo de inactividad para los fabricantes actuales, y es por eso que el taller garantiza que esta herramienta proporcionará un menor costo por orificio perforado que cualquier otra herramienta.

Kerry Buchenroth, propietario y fundador de West Ohio Tool, reconoció que el uso de la formula correcta de PCD era importante, pero no lo más importante, en el desarrollo de la broca. “El verdadero truco no era tanto el material”, dijo, “sino averiguar cómo soldar el PCD en el carburo, cómo optimizar la geometría de la herramienta y otros problemas similares”. Atribuye a su equipo y a la tecnología combinada de rectificado/erosión de herramientas CNC de alta precisión del taller la clave para superar los retos de desarrollo de la nueva broca.

El desarrollo de la herramienta comenzó con una oportunidad perdida. Cuando un cliente de muchos años, un OEM de la industria automotriz, informó a West Ohio Tool de que quería cambiar las herramientas de metal duro por las de filo PCD para taladrar orificios en cajas de transmisión de aluminio fundido a presión, algunos miembros del equipo de West Ohio Tool se mostraron escépticos. Comprendían el ímpetu: Por muy buenas que sean las herramientas de metal duro, siguen necesitando un nuevo rectificado después de 20 - 25 mil agujeros, y después de unas diez rectificaciones, se vuelven demasiado cortas para utilizarlas.

“Cada rectificado cuesta dinero y significa tiempo de inactividad”, afirmó Buchenroth. "El PCD ofrecía la posibilidad de minimizar todo eso, pero es caro y notoriamente difícil de trabajar".

Cuando el cliente se fue con otro proveedor de herramientas, Buchenroth se dio cuenta de que era el momento de perfeccionar su especialización en herramientas de PCD y asegurarse de que el taller tenía disponible la tecnología avanzada para trabajar eficazmente tanto con metal duro como con PCD. Además de adquirir dos máquinas de electroerosión por hilo de alta precisión, el taller cuenta ahora con siete rectificadoras WALTER de 5 ejes, una rectificadora EWAG PCD, una STUDER S31 y dos sistemas de inspección y medición CNC HELICHECK, así como un sistema de medición HELICHECK PRO totalmente automatizado, todo ello de UNITED GRINDING.

Entre las últimas rectificadoras de UNITED GRINDING se encuentran una WALTER HELITRONIC y una WALTER HELITRONIC POWER DIAMOND, un sistema dos en uno que realiza tanto el rectificado como el EDM. El taller complementa sus máquinas con el software WALTER Tool Studio para una programación más rápida y sencilla.

Esta es la tecnología de afilado de herramientas que ayudó por primera vez a West Ohio Tool a desarrollar una herramienta de PCD provisional: una broca especial con punta externa de PCD, capaz de perforar 350,000 orificios en aluminio fundido a presión sin necesidad de rectificar de nuevo o volver a afilar el PCD.

Los clientes han adoptado de todo corazón estas brocas con punta exterior, incluido el cliente OEM automotriz cuyo negocio de herramientas PCD habían perdido anteriormente. Sin embargo, ese mismo OEM estaba luchando en la batalla de toda la industria por un rendimiento más rápido y un menor costo total de producción e insistía en más. Según Buchenroth, el cliente dijo que taladrar 350,000 orificios sin interrupción estaba bien, pero preguntó si podíamos hacerlo aún mejor en términos de rendimiento, por lo que el equipo de West Ohio Tool se puso manos a la obra.

"El reto con la punta exterior es que los bordes exteriores de PCD aguantan muy bien, pero el centro del cincel sigue siendo de metal duro, y al final acaba rompiéndose", explica Buchenroth. “El objetivo de la nueva herramienta era encontrar una forma de obtener PCD sólido en todo el centro y combinarlo eficazmente con un vástago de herramienta de metal duro”.

Buchenroth sabía que para desarrollar y producir una herramienta de PCD macizo tan rentable y duradera, necesitaría una solución aún más eficiente para trabajar con materiales de PCD.

El PCD duro de diamante es difícil de rectificar y las muelas abrasivas de diamante utilizadas para hacerlo se desgastan rápidamente: cada cantidad de material de PCD eliminado de la pieza equivale a la misma cantidad de PCD que se desgasta de la muela abrasiva. Esto hace que el rectificado PCD sea una tarea muy cara. Sin embargo, como el PCD contiene cobalto, conduce electricidad y, por lo tanto, es adecuado para el mecanizado de descarga eléctrica (EDM).

Con el sólido proyecto de herramientas PCD en mente, West Ohio Tool invirtió en la WALTER HELITRONIC POWER DIAMOND con capacidad de rectificado y EDM. Con las muelas de erosión/electrodo giratorias de cobre, la máquina electroerosiona las partes de PCD de las herramientas y, a continuación, rectifica de forma convencional las zonas de metal duro.

La HELITRONIC POWER DIAMOND totalmente automatizada permite un mecanizado completo en ciclos de sujeción individuales. Cambia de rectificado a erosión, o viceversa, sobre la marcha y de forma automática. Además de PCD y metal duro, la máquina procesa herramientas de acero rápido, cermet y cerámica en diámetros de 3 a 320 mm, longitudes de hasta 350 mm y pesos de hasta 50 kg.

También fue la época en la que el taller invirtió en su máquina de medición HELICHECK PRO totalmente automatizada que puede manejar herramientas con un rango de diámetro de 1 a 150 mm en la macro zona, una longitud de mecanizado de hasta 330 mm y un peso de herramienta de hasta 25 kg. El sistema basado en CNC es adecuado para la medición totalmente automática de geometrías de herramienta complejas, como con la nueva broca PCD.

Para el proceso de desarrollo de la broca era crucial trabajar con diferentes formulaciones del material PCD. El PCD se mide por tamaños de grano que van desde nanómetros hasta cientos de micrómetros, generalmente conocidos como nanocristalinos y microcristalinos. Las partículas más pequeñas en mayor concentración proporcionan herramientas de mayor calidad, según Buchenroth.

El uso de un PCD inferior provoca una rotura similar a lo que sucede con las puntas externas en el carburo: los filos de corte externos serían buenos, pero finalmente el centro falla o el PCD es demasiado frágil para soportar un mecanizado agresivo. Buchenroth asemejó el fenómeno del juego de niños "romper el látigo".

"En el viejo juego de "romper el látigo", el niño que está en el centro básicamente gira muy, muy despacio en un punto mientras que la persona que está en la punta del látigo humano sale volando de un lado a otro. El PCD es estupendo en la parte de 'volar alrededor', ya que corta el material en el borde de la herramienta", dijo Buchenroth, "pero en el centro de la broca, donde no hay metraje superficial, no reacciona bien al estar sometido a ese tipo de presión".

Las formulaciones iniciales de PCD que intentó el taller acabaron desmenuzándose y rompiéndose en el centro de perforación mientras los bordes exteriores estaban bien. Fue entonces cuando el taller se dio cuenta de que sólo la máxima concentración de PCD funcionaría para la nueva herramienta, por lo que West Ohio Tool pasó un total de seis años de prueba y error, trabajando con diferentes materiales de PCD, así como desarrollando un proceso de soldadura propio para casar el PCD con el metal duro y ajustar la geometría de la herramienta.

Según Buchenroth, el software Tool Studio en las máquinas WALTER ayudó a acelerar significativamente el proceso de prueba y error. El software basado en Windows, que WALTER desarrolló con la colaboración del equipo de West Ohio Tool, permitió al taller rellenar simplemente los campos de información requeridos para la última versión y ejecutar el trabajo. Las capacidades de simulación 3D del software proporcionaron una visualización de los procesos de rectificado y EDM y permitieron al taller realizar los ajustes necesarios antes de que se eliminara realmente cualquier material.

Tras un total de seis años de pruebas continuas, la herramienta estaba lista. Lanzada en 2019 y denominada EdgeX4, la herramienta PCD (patente en trámite) taladra de 800,000 a 1'000,000 de orificios en aluminio fundido a presión gracias a un diseño significativamente más resistente, rápido, largo y eficiente que las herramientas de la competencia. Aunque las cajas de transmisión de aluminio para la industria automovilística fueron sus primeras piezas de trabajo, la EdgeX4 sigue siendo una ventaja para la industria aeroespacial, ya que es capaz de perforar materiales de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) altamente abrasivos con un desgaste mínimo, al igual que el aluminio.

La EdgeX4 tiene otra ventaja, señaló Buchenroth. Además de ser extraordinariamente lenta en el desgaste, la herramienta se fabrica bajo pedido con relativa rapidez. La experiencia de la empresa y la avanzada tecnología de la rectificadora de fresas WALTER permiten a West Ohio Tool suministrar la nueva fresadora en un plazo de entrega de cuatro a seis semanas - unas cuatro veces más rápido que la media de otras herramientas especiales de PCD - para ayudar realmente a sus clientes a obtener la "ventaja" sobre la competencia.