OPERACIONES Y ECONOMÍA DEL MAQUINADO LUIS ALEJANDRO AMORTEGUI OSORIO
CONTENIDO Aspectos Generales
Torneado y operaciones relacionadas Taladrado y operaciones relacionadas Fresado y operaciones relacionadas Centros de Mecanizado
Otras operaciones de Mecanizado Mecanizado de alta velocidad Vida de la herramienta Maquinabilidad y Costo del Mecanizado Recomendaciones Generales
MECANIZADO ASPECTOS GENERALES
MAQUINADO O MECANIZADO Proceso de remoción de material en el cual una herramienta de corte afilada es usada para remover mecánicamente material y dejar la geometría deseada: La aplicación más común es darle forma a metales. Mecanizado es el procesos de fabricación más versátil y
preciso en el que se puede producir una amplia variedad de formas y características geométricas. La fundición también puede producir varias formas y características
geométricas pero no con la misma precisión del mecanizado.
CLASIFICACIÓN DE LAS PIEZAS MECANIZADAS 1. Rotacionales o de revolución
2. No rotacionales o prismáticas
OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO Cada operación de maquinado forma características en la pieza de trabajo de acuerdo a: 1.
El movimiento relativo entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo •
2.
Generación: La trayectoria de la herramienta da forma a la pieza de trabjo
Forma de la herramienta de corte •
Formado: La herramienta de corte tiene el reverso de la forma a producir
OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO
OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO
OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO
TORNEADO Y OPERACIONES RELACIONADAS
TORNEADO La herramienta de un solo filo de corte remueve el material de una
pieza de trabajo que rota y genera una forma de revolución. La maquina herramienta donde se ejecuta la operación es el TORNO. Operaciones relacionadas al torneado que pueden ser hechas en un
torno son: Careado Torneado de formas Achaflanado Tronzado o Ranurado
Roscado
TORNEADO
CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO La velocidad de rotación de la pieza se relaciona con la velocidad de corte con la
siguiente expresión:
v N Do
La velocidad de avance viene dada por:
fr N f La tasa de remoción de material es:
RMR v d f Tiempo de Mecanizado
L Tm fr
OPERACIONES DE TORNEADO CAREADO
TORNEADO DE FORMA
OPERACIONES DE TORNEADO ACHAFLANADO
TRONZADO O RANURADO
OPERACIONES DE TORNEADO ROSCADO
TORNO CONVENCIONAL
MÉTODOS DE SUJECIÓN DE PIEZAS Plato de tres mordazas
Sujeción entre centros
METODOS DE SUJECIÓN DE PIEZAS Boquilla
Plato de sujeción de cara
MANDRINADO Es una operación similar al torneado,
es decir que usa una herramienta de un solo filo contra una pieza rotativa. La diferencia con el torneado es que:
El mandrinado se hace sobre una superficie interior o agujero ya formado.
El torneado se hace sobre la superficie exterior de un cilindro.
La maquinas mandrinadoras pueden
ser de eje de rotación horizontal o vertical-
TALADRADO Y OPERACIONES RELACIONADAS
TALADRADO Realiza en agujero redondo en la
pieza de trabajo Al contrario del mandrinado que
sólo puede aumentar el tamaño de agujeros existentes. La herramienta se llama broca Comúnmente se realiza en un
Taladro de Banco
CONDICIONES DE CORTE EN EL TALADRADO Las condiciones de corte para una operación de taladrado vienen dadas por:
v N D Donde D es el diámetro de la broca
fr N f fr es la velocidad de avance
RMR
4
D2 fr
TALADRADO Agujero Ciego
Agujero Pasante
OPERACIONES DE TALADRADO Rimado o escariado
Roscado
OPERACIONES DE TALADRADO Abocardado
Avellanado
TALADROS Taladro de Banco
Taladro Radial
SUJECIÓN DE PIEZAS Guía de Taladrado
Prensa
FRESADO Y OPERACIONES RELACIONADAS
FRESADO Operación de maquinado donde la pieza de trabajo se hace pasar frente
a una herramienta de corte rotativa con múltiples filos de corte. El eje de rotación de la herramienta es perpendicular a la dirección del
avance. Normalmente crea una superficie plana, pero superficies con otras
forma pueden ser hechas con la forma de la herramienta o la trayectoria. Es una operación interrumpida de corte. La herramienta es la fresa y los filos de corte son los dientes de la fresa. La maquina herramienta es la fresadora.
TIPOS DE FRESADO Fresado Periférico
Fresado de cara o refrentado
OPERACIONES DE FRESADO Fresado de Bloque
Ranurado
OPERACIONES DE FRESADO Refrentado Tradicional
Fresado Frontal
OPERACIONES DE FRESADO Fresado de Cavidades
Fresado de Perfiles
OPERACIONES DE FRESADO Fresado de Superficies
CONDICIONES DE CORTE EN EL FRESADO La velocidad de rotación de la herramienta en función de la velocidad de corte viene
dada por:
N
v D
La velocidad de avance viene dada por
f r N nt f nt es el numero de dientes de la fresa y f es la carga de viruta.
La tasa de remoción de material MRR viene dada por:
RMR w d f r
VELOCIDADES DE CORTE DIVERSAS
AVANCES EN TORNEADO
CARGA DE VIRUTA
http://robbjack.com/tools/S1-401-12
CENTROS DE MECANIZADO
CENTROS DE MECANIZADO Máquinas herramienta altamente automatizadas, capaces de ejecutar múltiples
operaciones de mecanizado a través de Control Numérico Computarizado. La programación se realiza al inicio del trabajo La interacción humanada durante las operaciones es mínima.
Las operaciones que se lleva a cabo son taladrado y fresado
Se clasifican en máquinas de Tres, Cuatro o Cinco ejes.
Características:
Cambio automático de herramientas.
Posicionamiento y cambio de la pieza de trabajo automático.
CENTROS DE MECANIZADO
CENTROS DE MECANIZADO
CENTROS DE MECANIZADO
CENTROS DE MECANIZADO
CENTROS DE MECANIZADO
OTRAS OPERACIONES DE MECANIZADO
CEPILLADO Y PERFILADO Se crea una superficie plana y recta
Usa una herramienta de un solo filo de corte El corte es interrumpido a diferencia del torneado que es continuo. La herramienta es sujeta cargas de impacto cada vez que inicia el corte. Las velocidades de corte son bajas debido al movimiento de vaivén. Usualmente se usan herramienta de corte de acero de alta velocidad
CEPILLADO Cepillado
Perfilado
CEPILLADO
PERFILADO
BROCHADO Usa una herramienta de corte de múltiples filos
El movimiento relativo entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte es
línea y en una dirección Produce buen acabado superficial, tolerancias cerradas Es posible realizar una gran variedad de formas.
La maquina herramienta es la Brochadora y la herramienta es la Brocha Debido a la forma en ocasiones complicada de la brocha, las herramientas son
costosas.
BROCHADO (HERRAMIENTA)
BROCHADO (FORMAS)
ASERRADO Es un proceso en el que se corta un hendidura angosta en la
pieza de trabajo con una herramienta que tiene dientes estrechamente espaciados. Se usa para separar una pieza de trabajo en dos. O para cortar un pedazo indeseado de material de una pieza
de trabajo La herramienta se llama hoja de sierra
ASERRADO Sierra de Cinta
Segueta Motorizada
Sierra Circular
MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD
MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD Velocidades de corte significativamente altas comparadas
con las usadas en operaciones de corte convencionales. Proviene de la constante a través de la historia de buscar
velocidades de corte cada vez mas altas. En el presente se hay un especial interés en el HSM debido
al potencial de altas tasas de producción, bajos tiempos de espera y reducción de costos.
COMPARACIÓN ENTRE MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD Y CONVENCIONAL Velocidad convencional Material de trabajo
Alta velocidad
m/min
ft/min
m/min
ft/min
Aluminio
600+
2000+
3600+
12,000+
Fundición de hierro suave
360
1200
1200
4000
Fundición de hierro dúctil
250
800
900
3000
Aleaciones de acero
210
700
360
1200
Fuente: Kennametal Inc.
REQUERIMIENTOS PARA IMPLEMENTACIÓN Rápidas velocidades de posicionamientos.
Cambios automáticos de herramientas. Rodamientos espaciales diseñados para altas RPM Capacidad de soportar altos avances (50 m/min)
Herramientas de corte, soportes de herramientas y husillos
balanceados para minimizar las vibraciones. Sistemas de enfriamiento que trabajen a alta presión.
Sistemas de control y remoción de viruta que puedan
manejar las altas cantidades de material removido.
APLICACIONES Industrias: Aeronáutica
Automotriz Informática Médica Moldes para productos de consumo masivo
VIDA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE
VIDA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE
Los dos principales aspectos que influyen en la vida
de la herramienta son: 1. Material de la herramienta 2. Geometría de la herramienta
MODOS DE FALLA Falla por fractura La fuerza de corte es muy alta y dinámica, lo que
lleva a una fractura frágil. Falla por Temperatura La temperatura de corte es muy alta para el material de la herramienta. Desgaste Desgaste ocurrido por el uso.
FALLA POR DESGASTE La fractura y temperatura son fallas prematuras, por lo
tanto son indeseables. El desgaste gradual de la herramientas es deseable
sobre los otros dos modos de falla dado que permite un mayor uso. El desgaste ocurre de dos parte de la herramienta: En la superficie de la cara de ataque En la superficie de incidencia.
DESGASTE DE LA HERRAMIENTA El desgaste que ocurre en la cara o
superficie de ataque se conoce como Desgaste de Cráter Consiste en una cavidad en la
superficie de ataque que se forma y crece por acción de la viruta que se desliza sobre esa superficie. Los altos esfuerzos y temperatura
tienen especial incidencia. La cavidad se mide por su
profundidad y área.
DESGASTE DE LA HERRAMIENTA El desgaste que ocurre en la
superficie de relieve de la herramienta es llamado Desgaste de Flanco. Resulta del rozamiento entre la
recién creada superficie de la pieza y la cara adyacente al borde de corte Se mide por el ancho de la banda de
desgaste Ocurre un desgaste de muesca por
la mayor dureza superficial de las piezas de trabajo
DESGASTE DE LA HERRAMIENTA
(Courtesy Manufacturing Technology Laboratory, Lehigh University, photo by J. C. Keefe)
DESGASTE DE LA HERRAMIENTA
VIDA DE LA HERRAMIENTA
DESGASTE Los mecanismos que generan el desgaste son: Abrasión Adhesión
Difusión Reacciones Químicas Deformación Plástica
VIDA DE LA HERRAMIENTA La vida de la herramienta es el tiempo de corte en el cual la herramienta
funciona. Es decir el tiempo de corte hasta que ocurra una falla catastrófica Esta definición es impráctica durante producción dada las implicaciones
económicas, productivas, de calidad y de seguridad que tiene una falla catastrófica. Es por esto que normalmente se define un nivel de desgaste de flanco aceptable
como criterio para establecer la vida de una herramienta.
VIDA DE LA HERRAMIENTA
VIDA DE LA HERRAMIENTA
ECUACIÓN DE TAYLOR PARA LA VIDA DE LA HERRAMIENTA La ecuación de Taylor permite predecir la vida de la
herramienta en función del material y la velocidad de corte.
v T C n
Las constantes C y n dependen del material de la
herramienta.
VALORES DE n Y C DE LA ECUACIÓN DE TAYLOR Aplicación de corte (Aceros no Incluidos)
Aplicación de corte en Aceros
n
C 𝒎 𝒎𝒊𝒏
C 𝒇𝒕 𝒎𝒊𝒏
C 𝒎 𝒎𝒊𝒏
C 𝒇𝒕 𝒎𝒊𝒏
0.1
70
200
20
60
Acero de Alta Velocidad
0.125
120
350
70
200
Carburo Cementado
0.25
900
2700
500
1500
Cermet
0.25
600
2000
Carburo Recubierto
0.25
700
2200
Cerámico
0.6
3000
10000
Material Acero para herramienta al carbono
VIDA DE LA HERRAMIENTA
Los siguientes criterios deben acompañar el uso de la ecuación de Taylor debido a la dificultad de medir el desgaste durante producción: 1.
Inspección de los dos desgastes en la herramienta
2.
Sonido de la operación de corte
3.
Cambio de forma de la viruta.
4.
Degradación del acabado superficial de la pieza de trabajo.
5.
Aumento en el consumo de potencia.
6.
Conteo de piezas maquinadas
COSTO DE MECANIZADO
COSTOS (MAXIMIZACIÓN DE LA TASA DE PRODUCCIÓN)
Para maximizar la tasa de producción se debe minimizar el tiempo de maquinado por pieza.
En el torneado, un ciclo de producción de una pieza consiste en tres tiempo:
1.
Tiempo de manejo de una Pieza = Th
2.
Tiempo de maquinado de la pieza = Tm
3.
Tiempo de Cambio de Herramienta: = Tt/np , donde np es el numero de pieza produjeron durante la vida de la herramienta.
La suma de los tres tiempo proporciona el tiempo de ciclo total por unidad para el ciclo de producción
Tt Tc Th Tm np
TIEMPO DE CICLO Vs. VELOCIDAD DE CORTE
MINIMIZACIÓN DEL TIEMPO PRODUCCIÓN En el torneado el tiempo de maquinado viene dado por la siguiente expresión:
Tm
DL v f
El numero de piezas que se pueden fabricar con una herramienta viene dado por:
T np Tm Donde T es la vida de la herramienta que se deriva de la ecuación de Taylor.
v T C n
MINIMIZACIÓN DEL TIEMPO DE PRODUCCIÓN Si se reemplazan las anteriores expresiones en el tiempo de ciclo de producción:
Tc Th
DL f v
Tt D L v f C
1
1
n 1
n
Si esta expresión se minimiza, la velocidad en que se logra esto es:
vmax
C 1 n 1 Tt
n
MINIMIZACIÓN DEL COSTO El costo total por unidad producida es:
CoTt
Ct Cc CoTh CoTm np np Este es función de la velocidad de corte.
Co D L Cc CoTh f v
CoTt Ct D L v f C
1
1
n 1
n
Si esta expresión se deriva para obtener la velocidad que minimice el costo, se obtiene:
vmin
n Co C 1 n C T C o t t
n
COSTO UNITARIO Vs VELOCIDAD DE CORTE
NOTACIONES Al aumentar C y n en la ecuación de vida de Taylor, la velocidad optima
de corte debe disminuir. Herramientas de carburo cementado y cerámicas deben ser usadas a
velocidades de corte consideradamente mas altas que de Acero Rápido.
vmax es siempre mayor que vmin
Si el tiempo de cambio de herramienta Tt y/o el costo de la herramienta
Ct aumenta, la velocidad de corte debe disminuir. Las herramientas no deben ser cambiadas muy a menudo si el costo de
cambio o de la herramienta es muy alto. Insertos desechables tienen la ventaja sobre los reafilables en que el tiempo
de cambio es menor.
RECOMENDACIONES GENERALES
RECOMENDACIONES PARA DISEÑO DE PIEZAS MECANIZADAS Diseñe componentes que no necesiten maquinado Prefiera procesos de forma neta tales como fundición, forjado en dado
cerrado, o moldeo de plásticos.
Si no es posible, minimice la cantidad de mecanizado requerido. Razones por las cuales es necesario mecanizar: Ajustes precisos (Tolerancias cerradas) Buenos acabados superficiales Características geométricas especiales tales como agujeros precisos, roscas,
ranuras.
RECOMENDACIONES PARA DISEÑO DE PIEZAS MECANIZADAS Las tolerancias debe ser acordes a la función y a las capacidades de
fabricación disponibles. Tolerancias muy cerradas cuestan mucho y puede que no agreguen valor a la
pieza. Si las tolerancias son muy cerradas su costo aumenta por la herramienta, la
fijación, inspección, trabajo adicional.
El acabado superficial debe ser especificado para satisfacer la
funcionalidad y/o la estética. Tener en cuenta que mejores acabados superficiales incrementa el costo por
procesos adicionales como pulido, o lapeado.
RECOMENDACIONES PARA DISEÑO DE PIEZAS MECANIZADAS Mecanizado de esquinas, puntos o fordes finos deben evitarse. Son difíciles de mecanizar o implican procesos adicionales. Bordes finos internos implican herramientas delgadas que pueden
fracturarse fácilmente. Esquinas y bordes fino tienden a formar rebabas y son peligrosas de
manipular.
Las piezas mecanizadas deben diseñarse para que puedan fabricarse de
formas estándar comerciales Piezas cilíndricas que deban tornearse se deben seleccionar de barras de
diámetro exterior estándar.
RECOMENDACIONES PARA DISEÑO DE PIEZAS MECANIZADAS Seleccione materiales con buena Maquinabilidad.
Diseñe piezas mecanizadas que requieran un mínimo de manipulación y
preparación. Evite tamaños de agujeros, roscas fuera de las estándar y características
que requieran herramientas estándar. Diseñe partes que requieran un mínimo de herramientas de corte.
SELECCIÓN DE CONDICIONES DE CORTE Es una de las tareas mas importantes durante la planeación
del proceso. Para cada operación de mecanizado deben seleccionarse
condiciones de corte distintas. Estas decisiones debe considerar la maquinabilidad, la
geometría, las tolerancias, el acabado superficial entre otros.
