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Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez Departamento de Metal-Mecánica Dr. Roberto Carlos García Gómez
1.1 Análisis de operación maquinado 1.2 Metodología para la manufactura de una pieza determinada 1.3 Control numérico y su aplicación en los procesos de manufactura
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La manufactura, como campo de estudio en el contexto moderno, puede definirse de dos maneras: tecnológica y económica. Tecnológicamente es la aplicación de procesos químicos y físicos que alteran la geometría, las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productos terminados. Los procesos para realizar la manufactura involucran una combinación de máquinas, herramientas, energía y trabajo manual, tal como se describe en la figura. La manufactura se realiza casi siempre como una sucesión de operaciones. Cada una de ellas lleva al material cada vez más cerca del estado final deseado.
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Ahora desde el punto de vista económico, la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayor valor, a través de una o más operaciones, como se muestra en la figura. El punto clave es que la manufactura agrega valor al material original, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materiales que han sido alterados en forma similar. El material original se vuelve más valioso mediante las operaciones de manufactura que se ejecutan sobre él.
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Tradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han ocurrido de manera secuencial, más que de manera concurrente o simultánea. Aunque esta secuencia parece lógica y sencilla, es un procedimiento que desperdicia de forma extrema los recursos. Por ello, se está abriendo paso la ingeniería concurrente o simultánea. Ahora bien, la ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integra el diseño y la manufactura de los productos, manteniendo a la vista la optimización de todos los elementos que forman parte del ciclo de vida del producto. El ciclo de vida implica que todos los aspectos de un producto: diseño, desarrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado se consideran de manera simultánea. Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducir los cambios en el diseño e ingeniería de producto y reducir el lapso que media entre el diseño del producto y su introducción en el mercado, así como los costos asociados a ese tiempo.
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En la situación ideal de manufactura, la ingeniería concurrente asegura que el diseñador coopere con el ingeniero de manufactura. En conjunto aseguran que la pieza tenga características que la hagan eminentemente productible por medio de un proceso seleccionado y óptimo (diseño para manufacturabilidad). La selección del proceso se hace de acuerdo con un procedimiento formal.
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El estudio de los procesos de manufactura abordarse desde puntos de vista diferentes.
puede
Actualmente, los aspectos más importantes son de orden económico y tecnológico. Entre los factores a tener e cuenta para la selección adecuada de un determinado proceso podemos mencionar: ◦ Factores de costo. Cuando se analizan diferentes alternativas para fabricar una pieza, o para efectuar un proceso, aparecen factores de costo variables, que se relacionan entre sí en mayor o menor grado y afectan el costo total de cada pieza, estos son:
Materiales: El costo de los materiales es un factor importante cuando los procesos a evaluar incluyen el empleo de diferentes cantidades o formas de materiales alternativos. Además, el rendimiento y las pérdidas por desperdicios pueden llegar a tener una gran influencia en el costo de los materiales. Mano de obra directa: En general, los costos de la mano de obra directa se determinan por: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
El proceso de manufactura en sí. La complejidad del diseño de la pieza o el producto. La productividad de los empleados. Requisitos de acabado y tolerancias dimensiónales. Numero de operaciones de manufactura para terminar la pieza o producto.
Sin embargo, a la hora de determinar el precio de la mano de obra directa, el número de operaciones de manufactura requeridas para terminar una pieza es el factor de costo más importante. Cada operación incluye el desplazamiento del material o la pieza, además de la inspección correspondiente. Es importante anotar que cuando aumenta el número de operaciones: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
Crecen los costos indirectos. Hay más probabilidades de errores dimensionales acumulativos. Se requiere más preparación de herramientas. Aumentan los desperdicios y el “retrabajado”. La programación del taller se vuelve más compleja.
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Mano de obra indirecta: Cuando se evalúa el costo de métodos y diseños alternativos para producción, es importante la mano de obra para preparación, inspección, manejo de materiales, afilado y reparación de herramientas y mantenimiento de máquinas y equipos. En algunos casos, las ventajas que supone un proceso frente a otro, se anulan debido a la mano de obra adicional requerida por el proceso “más ventajoso”.
Herramientas especiales: Dispositivos como las matrices, troqueles, moldes, modelos, calibradores y otros, son un factor de costo importante cuando se inicia la manufactura de piezas nuevas o se introducen grandes cambios en los productos existentes. El costo unitario de las herramientas depende en gran medida del volumen de producción y esta limitado por su duración esperada y obsolescencia. Un gran volumen de producción justifica fuertes inversiones en herramientas especiales. En general, la competencia y el progreso exigen mejoras en el diseño de productos y métodos de manufactura dentro del lapso de amortización de la inversión.
Consumibles (herramientas y suministros de corta duración): Elementos como brocas, buriles, fresas, ruedas de amolar, limas, cuchillas, machuelos, escariadores (rimas) y otros similares y los suministros como lija de esmeril, solventes, lubricantes, fluidos para limpieza, sales, polvos, trapos para limpieza, cinta adhesiva, compuestos para pulir, etc. Generalmente, son considerados como parte de los gastos indirectos de manufactura. Sin embargo, cuando se emplean grandes cantidades de suministros, deben considerarse como un factor de costo independiente. Para el caso de operaciones de corte, se recomienda considerar el costo de herramienta por corte. Servicios generales: En general, el costo de la energía eléctrica, gas, vapor, refrigeración, calefacción, agua, aire comprimido y otros, se considera como parte de los gastos de manufactura, pero esos costos se deben calcular en forma específica cuando se emplean ampliamente durante un proceso de manufactura determinado. Capital invertido: Cuando se va a iniciar la producción de una nueva pieza o producto, se debe tener en cuenta la disponibilidad de espacio, máquinas, equipo e instalaciones auxiliares junto con la inversión de capital requerida para métodos alternos. Si se cuenta con suficiente capacidad productiva, es probable que no se requiera inversión de capital para iniciar la manufactura de una pieza o producto nuevo con los procesos existentes. Por otra parte, en algunas ocasiones la producción de un solo componente requiere, además de equipo adicional, espacio, instalaciones auxiliares y terrenos
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Otros factores. Los costos de empaque, embarque, servicio y mantenimiento imprevisto, así como tolerancias para “retrabajar” y desperdicio, en ocasiones deben incluirse en el momento de hacer comparaciones de procesos. Asimismo, al efectuar esta comparación sólo se deben incluir en el análisis los costos diferentes para cada uno. Además cuando la cantidad de producción de una pieza o producto nuevo es baja, se deben emplear los equipos disponibles para componentes similares.
Equipos Especiales. Se debe considerar las herramientas y equipo para usos especiales y operaciones múltiples con el fin de aprovechar los métodos y economías en la manufactura que ofrecen, siempre que estén disponibles y/o se justifiquen. Efectos sobre la selección del material: El grado de automatización del proceso rara vez influye en la selección del material, más bien, es el material quien influye en la selección de la herramienta. De todos modos, los materiales más sencillos para maquinar, fundir, moldear, etc., son igualmente buenos para un proceso manual o automático, aunque hay dos posibles excepciones:
◦ a. Cuando las cantidades para producción son grandes, puede ser más económico obtener fórmulas y tamaños específicos de materiales que sean lo más cercano a los requisitos de la pieza que se va a producir y que no se justificarían para cantidades pequeñas. ◦ b. Cuando se emplea equipo complejo interconectado, como en líneas de transferencia, puede ser aconsejable especificar materiales de libre maquinado o de fácil procesamiento, para tener la seguridad de que el equipo trabaje en forma continua, o para reducir el tiempo muerto para afilar o sustituir las herramientas.
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Efecto sobre los volúmenes de producción: El equipo para uso especial requiere fuertes inversiones. Esto exige que el volumen de producción sea suficiente para amortizar la inversión. Ese equipo, es para producción en serie, aunque, puede producir considerables ahorros en los costos unitarios. La ventaja principal del equipo para usos especiales y automáticos, es el ahorro de mano de obra, otras ventajas son: menor inventario de trabajo en proceso, menos posibilidades de daños a las piezas durante el manejo, tiempo de ciclo reducido, menos espacio en el piso y menos piezas rechazadas. La ventaja de equipo NC y CNC es que permite el funcionamiento automático sin estar limitado a una pieza o un grupo pequeño de piezas y sin necesidad de herramientas especiales. La automatización con bajos y medianos volúmenes de producción se justifica con el NC y el CNC. Efectos sobre el diseño: Prácticamente no hay diferencia en las recomendaciones para diseño de productos hechos con equipo automático o con control manual. Sin embargo, en algunos casos el reflejo en los costos de no tener en cuenta una recomendación para diseño, se puede minimizar utilizando un proceso automático. Con equipo automático, una operación adicional que normalmente no tiene justificación económica podría ser factible, porque el costo adicional principal es el de agregar algún componente al herramental o al equipo.
Efectos sobre la exactitud dimensional: Por lo general, las máquinas y herramientas especiales trabajan con mayor exactitud que el equipo para uso general. Otros efectos del CNC: El equipo con control numérico computarizado ofrece varias ventajas en el diseño para producción, entre otras: ◦ Reducir el tiempo de demora para producir piezas nuevas. Se puede ver rápidamente la pieza terminada, evaluar los resultados e incluir los cambios necesarios casi desde el principio. ◦ Las piezas cuya producción no resulta económica con los métodos convencionales, sí lo serán con CNC o NC. ◦ El control por computadora puede optimizar algunas condiciones del proceso, como los avances y velocidades de corte según avanza el trabajo.
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Operaciones de procesamiento. Una operación de procesamiento transforma un material de trabajo de una etapa a otra más avanzada, que lo sitúa cerca del estado final deseado para el producto. Cualquier operación de procesamiento utiliza energía para alterar la forma, las propiedades físicas o el aspecto de una pieza de trabajo a fin de agregar valor al material. Las formas de energía incluyen la mecánica, térmica, eléctrica o química. La energía se aplica de forma controlada mediante la maquinaria y su herramental. La mayoría de estas operaciones producen desechos o desperdicios. Comúnmente se requiere más de una operación de procesamiento para transformar el material inicial a su forma final. Las operaciones se realizan en una sucesión particular que se requiera para lograr la geometría y las condiciones definidas por las especificaciones de diseño.
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Las operaciones de procesamiento las podemos clasificar de la siguiente manera: ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦ ◦
Procesos de fundición. Procesos de deformación volumétrica. Procesos de conformado de lámina. Procesos convencionales de maquinado. Procesos de maquinado no tradicional. Metalurgia de polvos. Procesos de mejora de propiedades. Operaciones de procesamiento de superficies.
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Los procesos de manufactura son la forma de transformar la materia prima que hallamos, para darle un uso práctico en nuestra sociedad y así disfrutar la vida con mayor comodidad. Con el rápido desarrollo de nuevos materiales, los procesos de fabricación se están haciendo cada vez más complejos, de ahí nace la importancia de conocer los diversos procesos de manufactura mediante los cuales pueden procesarse los materiales. La industria requiere actualmente de tales conocimientos y es por eso que el presente trabajo pretende que los alumnos como nosotros apliquen los conocimientos adquiridos en la materia de Manufactura Industrial.
Una forma sencilla de abordar este tema, es considerar a las máquinas a partir de dos procesos básicos de manufactura: uno que permite formar una pieza sin desprender material y otro conocido como “de arranque de viruta”, es decir, que busca quitar cierta porción del material original para obtener una pieza nueva. El primer proceso puede referirse a prensas, forjas, inyección o soplado de plásticos, formado en frío y en caliente, así como troquelados, y también asociarse a procesos de ensamble y soldadura, a partir de los cuales se obtiene un producto nuevo con el mismo material inicial.
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En los procesos con arranque de viruta se puede partir de un trozo de madera, hierro, aluminio y otros materiales, del cual las máquinas desprenden el “sobrante” para obtener una nueva forma. Es la aplicación típica de los tornos y las fresadoras, los taladros radiales o de banco, las mandrinadoras, etcétera. Por usos y costumbres, a este tipo de equipos por arranque de viruta se le conoce extensamente como máquinas herramienta.
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Todo maquinado se basa en una operación de corte, que es la separación de moléculas del material de las moléculas adyacentes mediante la aplicación de una fuerza. El proceso de dar forma a un producto mediante la eliminación de material es común a todo producto manufacturado, donde sólo varían las técnicas para eliminar dicho material.
Las operaciones de maquinado se pueden dividir en dos categorías: en una la pieza de trabajo se mueve mientras que la herramienta está fija (típicamente el torneado donde el material gira sobre un eje fijo); y en la otra ocurre lo contrario, se tiene un material de trabajo fijo mientras que la herramienta de corte es la que se desplaza (típicamente el fresado donde la herramienta gira sobre su eje y se desplaza sobre un material fijo). Es conveniente utilizar esta división de categorías al considerar los procesos disponibles.
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Una de las metodologías utilizadas por la ingeniería concurrente o diseño integrado de productos es el diseño para manufactura, DFM. El diseño y desarrollo de productos requiere no solamente el manejo de conceptos básicos de diseño mecánico convencional, sino la selección adecuada de materiales y procesos de fabricación. Es fundamental además de trabajar en equipos multidisciplinarios que involucren en el proceso de diseño tanto los atributos del cliente como las variables de ingeniería.
Reducir el número total de partes Desarrollar un diseño modular Usar materiales y componentes estandarizados Diseñar partes multifuncionales Diseñar para fácil fabricación Evitar partes separadas Minimizar las operaciones de manipulación Utilizar tolerancias amplias Minimizar el número de operaciones Evitar operaciones secundarias. Rediseñar componentes para eliminar pasos de proceso. Minimizar las operaciones que no añadan valor. Diseñar para el proceso.
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Desbaste todos los diámetros a 1/32 de pulgada del tamaño requerido.
*Maquine el diámetro mayor y avance hacia el menor. 2. 3.
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Desbaste todos los escalones y hombros a 1/32 pulg de la longitud requerida. Si se requiere alguna operación en especial, como moletado o ranurado deberá realizarse a continuación Enfríe la pieza antes de comenzar con la operación de terminado. Termine todos los diámetros y longitudes.
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Para maquinar la pieza que se muestra en la figura, se sugiere la siguiente secuencia de operaciones. 1. Corte una pieza de acero de 1/8 pulg mas de diámetro y 1/2pulg mas de largo de lo necesario. 2. Monte y centre la pieza en un mandril de cuatro mordazas, sujetando solamente 5/16 a 3/8de pulg del material en las mordazas del mandril. 3. Refrente el extremo de la pieza.
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Desbaste los tres diámetros externos, comenzando por el mayor y avanzando hacia el menor, a 1/32 del tamaño y longitud. Monte el contrapunto y taladre un centro en la pieza Efectué una perforación de ½ pulg de diámetro a través de la pieza. Monte una broca de 15/16 pulg en el contra puno y perfore la pieza Monte una barra de interiores en el poste portaherramienta y tornee el cilindro de 1 pulg escariandola a 0.0948 pulg de diámetro Tornear el interior de la sección roscada
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Corte la ranura en el extremo de la sección a roscar en la longitud y un poco mas profundo que el diámetro mayor de la rosca. Monte una herramienta de roscar en la barra de torneado interior y corte la rosca de 1 1/4 pulg -7 INC al tamaño . Monte un escariador de 1 pulg en el contrapunto y corte el diámetro interior al tamaño. Invierta la pieza en el mandril y proteja el diámetro terminado con un metal blando entere este y las quijadas del mandril referente a la superficie del extremo a la longitud adecuada.
Debido a las variaciones de forma y tamaño de piezas palanas es difícil dar reglas especificas de maquinada para cada una. Se enuncian algunas reglas generales. 1. Seleccione y corte el material un poco mas grande de lo requerido. 2. Maquine todas las superficies a su tamaño en una maquina fresadora. 3. Trace los contornos físicos de la pieza como ángulos, escalones y radios, etc. 4. Marque ligeramente las líneas de trazado que indican las superficies a cortar. 5. Elimine secciones grandes de la pieza con una sierra cinta de contornear
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Maquine todas las formas como los escalones, ángulos, radios y ranuras. Trace la localización de las perforaciones y, con compas de punta marque el circulo de referencia. Haga todas las perforaciones y machuele todas las que lo requieran. Escarie los agujeros. Rectifique las superficies que lo requieran.
Velocidad de Corte y Avance Velocidad de corte Velocidad a la cual el metal se puede maquinar con eficiencia. Expresada en (pie/min) o (m/min
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Cada pieza tiene que maquinarse a determinadas revoluciones por minuto en las cuales intervienen: Tipo de material El material de la fresa Rigidez de la máquina y el montaje de la pieza El acabado requerido Profundidad de corte
Se define como la distancia en pulgadas (o milímetros) por minuto que se mueve la pieza hacia la fresa esta depende de los siguientes factores: Tipo de acabado y la precisión requerida La profundidad y ancho del corte La potencia de la maquina Diseño o tipo de fresa Lo afilado de la fresa El material
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Montar la Compruebe si el cabezal está en ángulo recto Montar la prensa sujetadora con las mordazas paralelas en las ranuras en T Ajustar la velocidad y el avance correctos Comprobar la mano de el cortador y la rotación del husillo (un cortador de mano derecha debe girar en el sentido de las manecillas del reloj) Poner en marcha la máquina levantar la manecilla hasta que el cortador toque la pieza
Marcar la pieza con las especificaciones de corte como los escalones y la profundidad Posicionar la pieza donde el cortador quede en la posición de corte más profunda (evitar sobrecargar la fresadora por lo que es sugerirle hacer varios cortes) Hacer el corte más profundo primero y luego el menos profundo Comprobar la profundidad
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Marcar la posición en la que debe encontrarse el bisel o chaflán Ajustar el cabezal al ángulo correcto para el ángulo. Ejemplo para un chaflán este tiene que ser de 45 Posicionar la mesa y hacer mas cortes hacia la línea de corte
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