Procesos de Fabricacion Mecanica

UNIVERSIDAD DE ALMERÍA ÁREA DE INGENIERÍA MECÁNICA

TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN Grado en Ingeniería Electrónica Industrial (Plan 2010) Grado en Ingeniería Mecánica (Plan 2010) Grado en Ingeniería Química Industrial (Plan 2010)

APUNTES DE TEORÍA

Autor y edición: Alejandro López Martínez Almería, marzo 2013

APUNTES DE TEORÍA DE TECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN

ÍNDICE

ÍNDICE TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA FABRIC ACIÓN. PROCES OS Y S IS TEMAS ..................3 1.1 Historia de los Sistemas de Producción ........................................................................................5 1.2 La Tecnología M oderna (de la revolución industrial hasta la actualidad) ..................................14 1.3 Los Procesos de Fabricación, una parte del concepto de producción.........................................23 TEMA 2: S IS TEMAS Y PROCES OS DE FABRICAC IÓN. ORGANIZACIÓN DE A PRODUCCIÓN ...............................................................................................................................41 2.1 Introducción a los Sistemas de Producción y Fabricación. Sistemas de Fabricación Flexible...41 2.2 Gestión de Recursos M ateriales. Planificación y Control de la Producción...............................54 2.3 Introducción a la Gestión de la Información...............................................................................63 ANEXO I – Cálculo de Costes .........................................................................................................66 TEMA 3: PROCES OS DE ARRANQUE DE VIRUTA..............................................................70 3.1 Introducción a los procesos de arranque de viruta. Clasificación...............................................70 3.2 Parámetros y fuerzas de corte. Tiempos y costes de mecanizado...............................................84 3.3 M ateriales. Desgaste y Lubricación ............................................................................................93 3.4 Torneado ...................................................................................................................................105 3.5 Fresado......................................................................................................................................116 3.6 Taladrado ..................................................................................................................................129 3.7 Roscado.....................................................................................................................................133 3.8 Rectificado ................................................................................................................................135 4 BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................141

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TEMA 1

TEMA 1: INTRODUCCIÓN A LA FABRICACIÓN. PROCESOS Y SISTEMAS

A continuación se presentan algunas definiciones de términos presentes en la asignatura de Tecnología de la Fabricación (www.rae.es): Ciencia: Conjunto de conocimientos obtenidos mediante la observación y el razonamiento, sistemáticamente estructurados y de los que se deducen principios y leyes generales. Conformar: Dar forma a algo. Innovación: Creación o modificación de un producto, y su introducción en un mercado. Ingeniería: Estudio y aplicación, por especialistas, de las diversas ramas de la tecnología. Fabricación: Acción y efecto de fabricar. Fresadora: M áquina provista de fresas que sirve para labrar metales. Fabricar: Producir objetos en serie, generalmente por medios mecánicos. Manufactura: Obra hecha a mano o con auxilio de máquina. En un sentido completo, es el proceso de convertir materias primas en productos. Mecanizado: Proceso de elaboración mecánica. Mecanizar: Implantar el uso de las máquinas en operaciones militares, industriales, etc. Someter a elaboración mecánica. Dar la regularidad de una máquina a las acciones humanas. Máquina: Artificio para aprovechar, dirigir o regular la acción de una fuerza. Conjunto de aparatos combinados para recibir cierta forma de energía y transformarla en otra más adecuada, o para producir un efecto determinado. Moldear: Hacer molduras en algo. Sacar el molde de una figura. Dar forma a una materia echándola en un molde. Oxicorte: Técnica de cortar metales con soplete oxiacetilénico. Prototipo: Ejemplar original o primer molde en que se fabrica una figura u otra cosa. Tecnología: Conjunto de teorías y de técnicas que permiten el aprovechamiento práctico del conocimiento científico. Conjunto de los instrumentos y procedimientos industriales de un determinado sector o producto. Torno: 1. M áquina simple que consiste en un cilindro dispuesto para girar alrededor de su eje por la acción de palancas, cigüeñas o ruedas, y que ordinariamente actúa sobre la resistencia por medio de una cuerda que se va arrollando al cilindro. 2. Armazón giratoria compuesta de varios tableros verticales que concurren en un eje, y de un suelo y un techo circulares, la cual se ajusta al hueco de una pared y sirve para pasar objetos de una parte a otra, sin que se vean las personas que los dan o reciben, como en las clausuras, en las casas de expósitos y en los comedores. 3. M áquina que, por medio de una rueda, cigüeña, etc., hace que algo dé vueltas sobre sí mismo, como las que sirven para hilar, torcer seda, devanar, hacer obras de alfarería, etc. 4. M áquina para labrar en redondo piezas de madera, metal, hueso, etc. 5. Instrumento eléctrico formado por una barra con una pieza giratoria en su extremo, usada por los dentistas para limpiar y limar la dentadura. 6. Torniquete (II dispositivo para que las personas pasen de una en una). 7. Freno de algunos carruajes, que se A.L.M .

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maneja con un manubrio. 8. Vuelta alrededor, movimiento circular o rodeo. 9. Recodo que forma el cauce de un río y en el cual adquiere por lo común mucha fuerza la corriente. 10. Acción de pasar la adjudicación del remate, en los arrendamientos de rentas, al postor que ofrece mayores ventajas inmediatamente después de otro que lo tuvo primero y no dio dentro del término las fianzas estipuladas. Torno paralelo: Aquel cuyo portaherramientas se mueve en sentido paralelo al eje de la pieza que se tornea, y que sirve para roscar. Torno revólver: torno automático o semiautomático que dispone de un revólver para el cambio de herramientas. Otras dos definiciones a tener en cuenta: Tecnología Mecánica: Ciencia cuyo objeto es el conocimiento, aplicación y desarrollo de procesos óptimos para la conformación de conjuntos mecánicos, según especificaciones de diseño, basándose en el uso de factores productivos y teniendo en cuenta las necesidades del individuo, empresa y sociedad.

Conocimiento

Aplicación

Diseños

Factores Productivos

P roceso d e Fabricación (óptimo)

Con jun tos Mecán icos

Necesidades Desarrollo

Figura 1. Tecnología Mecánica. Proceso de fabricación: El objeto es obtener productos según especificaciones de diseño (planos e instrucciones) a partir de preformas o materias primas, con el apoyo de recursos de producción (materiales, equipos auxiliares, energía, información, personal…) realizado en un sistema de fabricación, mediante el empleo de una máquina o instalación con un método óptimo, de acuerdo a ciertas reglas conocidas y sometido simultáneamente a parámetros no dominados. *Lecturas recomendadas para este tema : Introducción general de la referencia bibliográfica [1]. Capítulo 2 de la referencia bibliográfica [2].

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1.1 Historia de los Sistemas de Producción Si observamos cualquier objeto de nuestro alrededor observamos que, tanto el objeto como sus componentes, tienen diferentes formas que difícilmente se podrían encontrar en la naturaleza. Estos objetos se obtienen a partir de materias primas que son transformadas y ensambladas. Podemos encontrar objetos formados por una sola pieza (un tornillo o un tenedor); objetos formados por varias piezas (unas tijeras, un lápiz o una silla); y son muchos los objetos que nos rodean que están formados por multitud de piezas (una impresora, una lavadora o un coche). Todos estos productos se fabrican por medio de diversos procesos denominados manufactura. Manufactura: proceso de convertir materias primas en productos. Incluye también las actividades en el que un producto ya fabricado se utiliza para elaborar otros productos (Ejemplo: máquinas extrusoras, producto ya fabricado, que forman perfilería de aluminio, nuevo producto fabricado). La palabra manufactura deriva del latín manu factus (“hecho a mano”) y se utilizó por primera vez en 1567. La palabra manufacturar apareció en 1683. La palabra producto significa “algo que se produce” y apareció, junto con el término producción, en el siglo X V. Los términos manufactura y producción suelen utilizarse de manera indistinta. Los términos fabricar y producir hacen referencia a la realización de una serie de actividades cuyo objetivo es obtener un producto o bien determinado. Podemos denominar sistema productivo al conjunto de elementos cuya interacción nos proporciona un determinado producto o bien. Dentro de cada sistema productivo tendrá lugar una serie de procesos, complejos o sencillos, que se pueden dividir en fases y operaciones. A través de la manufactura, proceso o sistema productivo se transforman las materias primas en productos útiles. Estos productos manufacturados adquieren un valor añadido. Dentro de la manufactura podemos diferenciar dos tipos básicos: (i) aquellos procesos destinados a fabricar productos discretos (partes individuales: clavos, bolas para rodamientos, latas de conservas, bloques de motor…); (ii) productos continuos (alambre, hojas de metal, tubos…) que luego se cortan en piezas individuales y se convierten en productos discretos. La manufactura es una actividad bastante compleja, en ella interfieren gran variedad de recursos y actividades: -

Diseño del producto.

-

Control de la producción.

-

M áquinas y herramientas.

-

Servicios de soporte.

-

Planificación del proceso.

-

M ercado.

-

M ateriales.

-

Ventas.

-

Compras.

-

Embarque.

-

M anufactura propiamente dicha.

-

Servicios al cliente.

Manufactura ≈ Fabricación Además, las actividades de manufactura deben responder a distintas demandas del mercado (clientes) y las tendencias de cada momento: A.L.M .

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TEMA 1

-

Requisitos de diseño, especificaciones y normas.

-

Seguir métodos económicos y respetuosos con el medio ambiente.

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Calidad del producto en todas sus etapas (desde el diseño hasta el ensamblado). Y no centrar los controles de calidad solo una vez obtenido el producto final.

-

Los métodos de producción deben ser flexibles para poder adaptarse a las demandas del mercado en cualquier momento.

-

Los continuos desarrollos de materiales, métodos de producción e integración a las computadoras deben evaluarse constantemente con el objetivo de que su implantación sea apropiada, oportuna y económica.

-

Las actividades de manufactura deben considerarse como un gran sistema, cuyas partes se relacionan entre sí en diferente grado. Estos sistemas se pueden estudiar mediante la aplicación de modelos matemáticos que permitan analizar el efecto de cambios en uno varios de los factores que afecten al sistema (demandas de mercado, diseño del producto, métodos de producción, calidad…).

-

Debe haber una relación entre el cliente final y el fabricante (retroalimentación) para conseguir una mejora continua del producto. Además de ofrecer al cliente final un buen servicio de postventa (mantenimiento, asesoramiento…).

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Búsqueda continua del máximo nivel de productividad (uso óptimo de los recursos: materia prima, mano de obra, maquinaria, energía, tecnología y capital). Se debe maximizar la producción por empleado y hora en todas las fases.

Un poco de Historia El inicio de la manufactura data de los años 5000 a 4000 a.C. Aunque el origen de la manufactura posiblemente sean más antiguo que la historia registrada. La realización de los dibujos encontrados en cuevas y rocas primitivas requería del uso de algún tipo de pincel o brocha y de la “pintura” o “material” necesario para grabar en la roca. El hombre primitivo no disponía de ambos elementos tal cual en la naturaleza, por lo que necesitaba fabricarlos de algún modo. En cuanto al uso de los diferentes materiales, se comenzó con la fabricación de productos en madera, cerámica, piedra y metal. Los materiales y procesos utilizados para dar forma a los productos (mediante fundición y martillado) se han ido desarrollando gradualmente con el paso de los siglos. De oro, cobre y hierro eran los primeros materiales que se utilizaron para fabricar utensilios domésticos y ornamentales; seguidos de la plata, el plomo, estaño, latón y bronce. Entre los años 600 y 800 d.C. se introduce el acero; desde entonces se han desarrollado una gran multitud de diversos materiales ferrosos y no ferrosos. En la actualidad, los materiales empleados para tecnologías avanzadas incluyen materiales de ingeniería, desarrollados para fines concretos, con propiedades concretas y únicas: materiales cerámicos de última generación, plásticos reforzados, materiales compuestos, nanomateriales… En cuanto a las tecnologías aplicadas en procesos de manufactura y fabricación, antes de la Revolución Industrial (que comenzó a mitad del siglo XVIII), los sistemas de fabricación dependían principalmente de la mano de obra en todas sus fases. Con la revolución industrial llegó la mecanización de los procesos productivos; comenzando con el desarrollo de maquinaria para la A.L.M .

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TEMA 1

industria textil y para el corte de metal. Este desarrollo iniciado en Inglaterra, rápidamente se expandió por Europa y Estados Unidos. En 1800 se implantó el uso de partes intercambiables (creadas por Eli Whitney); antes de esta aportación era necesario el ajuste a mano de cualquier máquina, ya que no se podían fabricar dos piezas iguales. Actualmente, en la reparación de cualquier máquina se da por entendido que se puede cambiar cualquier elemento roto por otro nuevo de idénticas características. A día de hoy, son innumerables los avances y desarrollos de nuevas tecnologías que se han llevado a cabo. A partir de la década de 1940 los avances tecnológicos se han desarrollado a gran velocidad, cabe destacar el desarrollo de las computadoras, desde sus comienzos hasta su estado actual. A día de hoy, los sistemas informáticos (control por ordenador, robótica, sensores) han permitido que los métodos de producción hayan avanzado mucho, permitiendo altas velocidades de producción, gran calidad en los procesos y productos, así como la gran facilidad de reproducir los procesos (reproductibilidad de productos).

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TEMA 1

Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura. (Fuente [1])

Egipto: ~3100 aC - ~300 aC Grecia: ~1100 aC - ~146 aC Imperio romano: ~500 aC - ~476 dC Edad Media: ~476 - ~1492 Renacimiento: siglo XIV - XVI

Periodo

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Metales y fundición

Diversos materiales y composites

< 4000 aC

Oro, cobre, hierro meteórico

Artículos de tierra, vidriería, fibras naturales

4000 – 3000 aC

Fundición de cobre, moldes de piedra y metales, proceso a la cera perdida, plata, plomo, estaño, bronce

3000 – 2000 aC

Fundición y estirado de bronce y oro

Años

Perlas de vidrio, torno al farero, recipient es de vidrio

Hierro maleabl e, bronce Hierro fundido, acero fundido

Prensado y soplado de vidrio

1 – 1000

Zinc, acero

Vidrio veneciano

1000 – 1500

Alto horno, diversos metales, fundición de campanas, peltre

Cristal

1500 – 1600

Cañones de hierro fundido, placa de estaño

Vidrio plano fundido, vidrio de pedernal

1600 – 1700

Fundición en molde permanent e, latón a partir de cobre y zinc metálico

Porcelana

2000 – 1000 aC 1000 – 1 aC

Formado y modelado

Unión

Herrami entas, mecanizado y sistemas de manufactura

Martillo

--

Herramientas de piedra, pedernal, madera, hueso, marfil, herramientas de composites

Estampado, joyería

Soldadura de cobre

Corindón (alúmina, esmeril)

Alambre (corte de hojas metálicas)

Remaches

Fabricación de azadones, hachas, herramientas para herrería y carpintería.

Soldadura por forja de hierro y acero, pegado

Cinceles, sierras, limas, tornos para madera

Estampado de monedas Armaduras, acuñado, forja, espadas de acero Estirado de alambre, orfebrería en oro y plata Potencia hidráulica para trab ajo de metales, laminación de tiras para monedas Laminación (plomo, oro, plata).

Grabado de armaduras Papel lija, sierra impulsada por molino de viento

Torno de mano para madera

Mandrilado, torneado, mecanizado de roscas, taladro de columna

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TEMA 1

Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura (continuación). (Fuente [1]) Periodo

Años

1700 – 1800

Revolución Industrial: ~1750 – 1850 Primera Guerra Mundial Segunda Guerra Mundial

1800 – 1900

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Metales y fundición Hierro fundido maleable, acero de crisol (barras y varillas de hierro) Fundición centrífuga, proceso Bessemer, aluminio electrolítico, barras de níquel, metales babbitt, acero galvanizado, metalurgia de polvos, acero de hogar abierto


Formado y modelado

Unión

Herrami entas, mecani zado y sistemas de manufactura

Extrusión (tubos de plomo), embutición profunda, laminación Vidrio para ventana de cilindro dividido, lámpara de luz, vulcanización, proces amiento del hule, poliéster, estireno, celuloide, extrusión de hule, moldeo

Martillo de vapor, laminación de acero, tubos sin costura, laminación de rieles de acero, laminación continuo, electrodeposición

Cepillo de mesa fija, fresa, torno copiador, torno de torreta, fresado universal, disco vitrificado para recti ficado

1900 – 1920

Fabricación automática de botellas, baquelita, vidrio de borosilicato

Doblado de tubos, extrusión en caliente

Oxiacetileno, soldadura de arco, resistencia el éctrica y térmica

Torno engranado, roscado automático, tallado de engranajes con fres a madre, herramientas de acero de alta velocidad, óxido de aluminio y carburo de silicio (sintético)

1920 – 1940

Fundición a presión

Desarrollo de plásticos, fundi ción, moldeo, cloruro de polivinilo PVC, acet ato de celulosa, polietileno, fibras de vidrio

Alambre de tungsteno a partir de polvo metálico

Electrodos recubi ertos

Carburo de tungsteno, producción en masa, máquinas de trans ferencia

1940 – 1950

Proceso a la cera perdida para piezas de ingeniería

Acrílicos, hule sintético, epóxidos, vidrio fotosensible

Extrusión (acero), estampado, metales en polvo para piezas de ingeniería

Soldadura de arco sumergido

Recubrimientos de conversión de fos fato, control de calidad total

1950 – 1960

Molde cerámico, hierro dúctil, semiconductores, fundi ción continua

Acrilonitrilo butadieno estireno, fluorocarbonos, poliuretano, vidrio flotado, vidrio templado, cerámicos variados

Extrusión en frío (acero), formado explosivo, proces amiento termomecáni co

Soldadura de arco de metal y gas, de tungsteno y gas y de electroescoria; soldadura por explosión

Mecanizado eléct rico y químico, control automático

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TEMA 1

Tabla 1. Desarrollo histórico de materiales y procesos de manufactura (continuación). (Fuente [1])

Era espacial Era de la información

Periodo

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Años

Metales y fundición


Formado y modelado

Acetal es, policarbonato, formado en frío de plásticos, plásticos reforzados, devanado de filam entos

Hidroformado, extrusión hidrostática, electroformado

Unión

1960 – 1970

Fundición por compresión, álabes para turbinas de monocristales

1970 – 1990

Grafito compact ado, fundi ción al vacío, arena aglutinada orgánicamente, automatización del moldeo y colado, solidificación rápida, composites de matriz metálica, trabajo de metales semisólidos, metales amorfos, aleaciones con memoria de forma (materi ales inteligentes), simulación por ordenador

Adhesivos, materiales composites, semiconductores, fibras ópticas, cerámicos estructural es, composites de cerámicos estructural es, plásticos biodegradables, polímeros conductores de la electricidad

Forjado de precisión, forjado isotérmico, formado superplástico, matrices fabri cadas con diseño y fabricación asistida por ordenador (CAD/CAM), forjado y formado de forma neta, simulación por ordenador

Rayo láser, unión por difusión, soldadura blanda

Refundi ción, diseño de moldes y matrices asistido por ordenador, montaje rápido de herramientas

Nanomateri ales, espumas metálicas, recubrimientos avanzados, superconductores de alta temperatura, cerámicos mecanizables, carbono como diamante

Prototipado rápido, montaje rápido de herramientas, fluidos respetuoso con el medio ambiente

Soldadura por fricción, soldadura a tope con láser, adhesivos conductores de la electricidad

1990 – 2000

Soldadura de arco de plasma y de haz de electrones, adhesivos

Herrami entas, mecani zado y sistemas de manufactura Carburo de titanio, diamante sintético, control numérico (CN), microcircuito integrado Nitruro de boro cúbico, recub rimiento de herramientas, torneado de diamante, mecanizado de ultraprecisión, fabricación asistida por ordenador, robots industriales, centros de mecanizado, fabricación flexible, tecnología de detectores (sensores ), inspección automatizada, sistemas expertos, simulación por ordenador Micro y nanofabricación, litografí a, LIGA (litografía, electrodeposición y moldeo), mecanizado en seco, transmisiones de motores lineales, redes neuronales artifi ciales, seis sigma

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TEMA 1

Algunos conceptos a destacar de la Tabla 1: -

Pedernal: variedad de cuarzo, que se compone de sílice con muy pequeñas cantidades de agua y alúmina. Es compacto, de fractura concoidea, translúcido en los bordes, lustroso como la cera y por lo general de color gris amarillento más o menos oscuro. Da chispas herido por el eslabón.

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Corindón: Piedra preciosa, la más dura después del diamante. Es alúmina cristalizada, y hay variedades de diversos colores y formas.

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Azadones: Instrumento que se distingue de la azada en que la pala, cuadrangular, es algo curva y más larga que ancha. Sirve para rozar y romper tierras duras, cortar raíces delgadas y otros usos análogos.

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Vidrio: Sólido duro, frágil y transparente o translúcido, sin estructura cristalina, obtenido por la fusión de arena silícea con potasa, que es moldeable a altas temperaturas.

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Acuñar: Imprimir y sellar una pieza de metal, especialmente una moneda o una medalla, por medio de cuño o troquel.

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Peltre: Aleación de cinc, plomo y estaño.

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Cristal: 1. Sólido cuyos átomos y moléculas están regular y repetidamente distribuidos en el espacio. 2. Vidrio, especialmente el de alta calidad.

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Vidrio o Cristal: principal diferencia que el cristal contiene óxido de plomo (que no se puede fundir en el mismo horno junto con vidrio, la temperatura de fusión es diferente).

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Orfebrería: Arte del orfebre.

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Orfebre: Persona que labra objetos artísticos de oro, plata y otros metales preciosos, o aleaciones de ellos.

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Vidrio de pedernal: o vidrio de plomo, contiene potasio y plomo.

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Acero de crisol: acero elaborado mediante diferentes técnicas, basadas en el calentamiento lento y enfriado de hierro puro en un crisol (en presencia de carbono).

-

Crisol: 1. Recipiente hecho de material refractario, que se emplea para fundir alguna materia a temperatura muy elevada. 2. Cavidad que en la parte inferior de los hornos sirve para recibir el metal fundido.

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Proceso Bessemer: primer proceso de fabricación químico que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco coste a partir del arrabio.

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Arrabio: Fundición de hierro que se obtiene en el alto horno y que constituye la materia prima de la industria del hierro y del acero

-

Aluminio electrolítico: obtención de aluminio mediante electrolisis.

-

Electrolisis: Descomposición de una sustancia en disolución mediante la corriente eléctrica.

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Metales babbitt: o metales de cojinete, aleación que se utiliza para la superficie de apoyo en cojinetes de fricción (actualmente existen muchos tipos de aleación).

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Acero galvanizado: El galvanizado es el proceso electroquímico por el cual se puede cubrir un metal con otro (por ejemplo acero+zinc).

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Acero de hogar abierto: fabricado en hornos de hogar abierto.

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Vulcanización: Acción y efecto de vulcanizar.

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-

Vulcanizar: Combinar azufre con goma elástica para que esta conserve su elasticidad en frío y en caliente.

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Hule: Caucho o goma elástica.

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Baquelita: Resina sintética que se obtiene calentando formaldehído y fenol en presencia de un catalizador. Tiene mucho uso en la industria, especialmente en la preparación de barnices y lacas y en la fabricación de objetos moldeados.

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Acrílicos: Dicho de una fibra o de un material plástico: Que se obtiene por polimerización del ácido acrílico o de sus derivados.

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Polimerización: Reacción química en la que dos o más moléculas se combinan para formar otra en la que se repiten unidades estructurales de las primitivas y su misma composición porcentual cuando estas son iguales.

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Epóxidos: En química orgánica un epóxido es un radical formado por un átomo de oxígeno unido a dos átomos de carbono, que a su vez están unidos entre sí mediante un solo enlace covalente.

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Vidrio fotosensible: responden a la acción de la luz.

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Hierro dúctil: El hierro dúctil se obtiene mediante la introducción controlada de magnesio en el hierro fundido, y bajas proporciones de azufre y fósforo.

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Semiconductor: Se dice de las sustancias aislantes, como el germanio y el silicio, que se transforman en conductores por la adición de determinadas impurezas. Se usan en la fabricación de transistores, chips y derivados. Elemento que se comporta como un conductor o como aislante dependiendo de diversos factores (campos eléctricos o magnéticos, la presión, la radiación o la temperatura ambiente).

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Vidrio flotado: plancha de vidrio fabricada haciendo flotar el vidrio fundido sobre una capa de estaño fundido.

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Cerámica: Arte de fabricar vasijas y otros objetos de barro, loza y porcelana.

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Álabes para turbinas de monocristales: superaleaciones monocristal (a base de níquel).

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Aleación: Producto homogéneo, de propiedades metálicas, compuesto de dos o más elementos, uno de los cuales, al menos, debe ser un metal.

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Devanar: Ir dando vueltas sucesivas a un hilo, alambre, cuerda, etc., alrededor de un eje, carrete, etc.

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Hidroformado: conformado de algún material mediante algún líquido a presión (agua o emulsiones de agua y aceite).

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Composites: Los composites o resinas compuestas son materiales sintéticos que están mezclados heterogéneamente.

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Fibras ópticas: Hilo o haz de hilos de material altamente transparente por el cual se transmite información a grandes distancias mediante señales luminosas.

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Formado superplástico: El conformado superplástico es un método de fabricación basado en el comportamiento extremadamente dúctil de ciertos materiales que permite obtener formas casi acabadas mediante su deformación plástica.

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Trabajo de metales semisólidos: M oldeo de metales en estado semisólido, producción de piezas de metales no-férreos (aluminio, cobre, magnesio), combinando las ventajas de la fundición y la forja.

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Metales amorfos: metal con su estructura atómica desordenada.

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-

Aleaciones con memoria de forma (materiales inteligentes): capaces de recuperar su forma después de una deformación significativa.

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Sistemas expertos: sistemas informáticos capaces de realizar tareas y resolver operaciones complejas igual que lo harían expertos en la materia, pero con una capacidad mucho mayor.

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Nanomateriales: materiales con propiedades morfológicas inferiores a un micrómetro a alguna dimensión.

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Espumas metálicas: o espuma de aluminio. Combinan las ventajas estructurales de la espuma con las propiedades de los metales.

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Prototipado rápido: tecnología que hace posible la obtención de prototipos en tiempos relativamente bajos.

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LIGA (litografía, electrodeposición y moldeo): proceso utilizado para la fabricación de microsistemas, desarrollado hacia fines de los años 1970 en Kernforschungszentrum Karlsruhe (KfK). La sigla "LIGA" proviene del alemán, representan las siguientes etapas: o Litografía de rayos X: el patrón en dos dimensiones de las microestructuras es duplicado por litografía de rayos X sobre una capa de polímero fotosensible. o Galvanización por microestructuras.

electro-deposición: el metal es

depositado

sobre las

o Conformado: tras la disolución del polímero sobrante, el bloque de metal resultante suele tener la función de herramienta de formación. -

Mecanizado en seco: sin uso de lubricante/refrigerante (sin fluido de corte).

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Seis sigma: metodología de mejora de procesos, como objetivo tiene reducir la variabilidad del proceso, hasta niveles máximos de 3.4 defectos por cada millón de posibilidades.

¿¿Hacia donde vamos?? Gary Acres: “Las fábricas tradicionales no desaparecerán de la noche a la mañana, pero se empezarán a ver aparecer una nueva generación de fábricas mejor adecuadas. Se trata de fábricas más pequeñas que producen un solo producto especializado” Torben Andersen: “La fábrica del futuro no será el tipo de esas vastas naves de producción en masa. Un mayor número de proveedores, geográficamente alejados, enviarán los diferentes componentes de un producto a la unidad de montaje. Esta fábrica será más extensa, compuesta de células individuales autónomas” La especialización de cada unidad mejorará la eficacia. La competitividad dependerá de la productividad y de la calidad de los intercambios entre distintas unidades. También se mejorará la relación proveedor-cliente Producto-Servicio. Fuerte presencia de las Tecnologías de la información (TIC’s) Productos Inteligentes (capaces de aprender de su entorno). Otras metas: nuevos materiales, menos contaminación desde el diseño del producto (fabricar pensando en reciclar). IMPORTANCIA DEL POTENCIAL HUMANO

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1.2 La Tecnología Moderna (de la revolución industrial hasta la actualidad) En el último tercio del siglo XVIII surgen dos corrientes muy importantes en el desarrollo y evolución de la sociedad, la del conocimiento y la de la experimentación, con personajes históricos de gran relevancia (L. Euler, J. LouisLagrange, B. Franklin, J. D’Alembert, A. Lavoisier, D. Bernoulli). La Revolución Industrial: el primer invento a considerar, quizás el más importante, sea la máquina de vapor (James Watt). Desde 1780 la máquina de vapor se introduce en fábricas de hilo de algodón, posteriormente en la fundición de hierro. En años sucesivos se van incorporando inventos que hacen posible pasar de la fabricación artesanal a la concentración de la fabricación en lo que hoy día conocemos como fábricas. Aumenta (o se inicia) la relación entre ciencia e industria, lo que hace que los avances científicos se transfieran rápidamente a la fabricación o producción industrial. Algunos hechos importantes (siglo XIX): -

Desarrollo de los medios de transporte (máquina de vapor, ferrocarril). La primera locomotora de Stephenson data en 1813. La primera línea de ferrocarril data en 1825.

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M ejora de la comunicación (telégrafos).

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Gras estima de la ingeniería por parte de la sociedad.

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En Europa, se modifican universidades, se le da mucha importancia a los centros o institutos de investigación.

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En Alemania, a finales del siglo XVIII y comienzos del siglo XIX, se reestructuraron las universidades (libertad docente, vocación científica). Se le dio autonomía a los alumnos para estudiar (composición de su currículo). Se le dio autonomía a la institución para investigar (fuerte desarrollo). Como resultado fuerte desarrollo.

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Nacimiento de los estudios de ingenieros: Alemania 1770 (Technische Universität Berlin); Francia 1794 (École Polytechnique); Inglaterra 1823 (M echanic’s Institute. Londres); España 1850 (Estudios de Ingeniero Industrial en M adrid, Barcelona, Sevilla y Vergara).

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En Estados Unidos, surgieron conflictos entre los que apoyaban la forma tradicional de docencia en universidades y el interés de la sociedad por tener conocimientos más prácticos. A principios del siglo XIX la carencia de ingenieros en los Estados Unidos era muy importante (a penas 2 ingeniero por estado). Las universidades tardaron en reaccionar, hasta 1861 no se fundó el M assachusetts Institute of Technology (M IT), en 1865 abría su Escuela Industrial. Con el tiempo se copió el modelo europeo y proliferaron los institutos de investigación.

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Comienzan los estudios sistemáticos sobre procesos industriales (conformado por deformación plástica y mecanizado)

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Progresivamente los pequeños talleres pasan a centros de producción en cadena (fábricas).

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M uy importante: intercambiabilidad de piezas y montaje.

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Gran interés de producir en masa objetos estándares (sobretodos cuando eran componentes de maquinaria) ingeniería de precisión (sobretodo en acero).

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A partir de 1856, el proceso de Bessemer (producción a gran escala) y posteriormente el horno abierto de Siemens (obtención de lingotes), permitieron la obtención de acero a precios asequibles. El procedimiento Bessemer fue el primer proceso de fabricación que sirvió para la fabricación en serie de acero, fundido en lingotes, de buena calidad y con poco

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TEMA 1

coste a partir del arrabio (material fundido que se obtiene en el alto horno mediante reducción del mineral de hierro; se utiliza como materia prima en la obtención del acero en los hornos siderúrgicos).

Figura 2. Horno de Bessemer. -

Principios siglo XIX, Whitworth desarrolló un sistema capaz de medir con gran exactitud (metrotecnia) las dimensiones de cualquier pieza, lo que permitió desarrollar máquinas capaces de fabricar elementos idénticos (inicio de la producción en serie).

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Alessandro Volta consigue en 1800 producir corrientes eléctricas de forma continua.

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Desarrollo del electromagnetismo, lo que permitió grandes avances tecnológicos.

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Inducción electromagnética (Faraday).

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Corriente alterna (Gramme).

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Obtención de fuerza motriz de origen eléctrico (alternativa al vapor).

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Fuerte desarrollo de los telares, se pasa del diseño manual de los dibujos de las telas, al uso de tarjetas perforadas para la selección de los hilos de urdimbre que se levantaban (sólo podían levantarse los hilos donde había un agujero en la tarjeta). Por ejemplo, para tejer un retrato eran necesarias 24000 tarjetas. Este sistema aún se utiliza para tejer telas de lujo por la compañía japonesa NIshijin. Estas tarjetas se pueden considerar como las percusoras del Control Numérico.

-

Primer telar automático y primer torno para mecanizar metales (Jacques Vaucanson, 17091782).

A.L.M .

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-

TEMA 1

Primer máquina textil que realizaba distintos tipos de tejidos con solo modificar el programa introducido por medio de tarjetas de latón perforadas (Joseph M arie Jacquard, 1801).

Figura 3. Telar de Jacquard. -

Primero intentos de diseñar y fabricar mecanismos que simulen los movimientos humanos.

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A mediados del siglo XIX: se construye la primera calculadora, capaz de realizar cuatro operaciones aritméticas. M emoria capaz de almacenar mil números de 50 cifras. La entrada de datos se hacía mediante fichas de papel perforadas.

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A mediados del siglo XIX: se fabrican los primeros dispositivos de cálculo digitales de tipo electromecánico construido con relés.

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Leonardo Torres Quevedo (1852-1936): calculador de raíces.

El progreso tecnológico y la segunda revolución industrial: el periodo comprendido entre 1870 y 1914 es considerado por muchos historiadores como la “Segunda Revolución Industrial”, el progreso tecnológico continuo pasó a ser un elemento estructural en la economía mundial. Se producen un gran número de innovaciones que van transfiriéndose de un país a otro cada vez con mayor facilidad. A destacar: -

Capacidad de reproducir mecánicamente los textos escritos difusión de conocimientos (M ejora de la imprenta: impresión en continuo, rotativas; máquina de escribir).

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Nuevas fuentes de energía (petróleo y electricidad). Pila de Volta, generadores de corriente continua, generadores de corriente alterna.

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M otor de combustión interna (Nikolaus Otto, 1868).

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Neumático (Dunlop, 1888).

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Tratado sobre electricidad y magnetismo (M axwell, 1873).

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Primera locomotora eléctrica (Werner V. Siemens, 1879).

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El 29 de enero de 1886, Karl Benz solicitó la patente de un vehículo de tres ruedas, que hoy es reconocido oficialmente como el primer automóvil del mundo.

A.L.M .

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TEMA 1

Figura 4. Primer automóvil reconocido actualmente. -

Emite señales de radio (M arconi, 1896).

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El teléfono (Bell, 1876).

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La lámpara incandescente (Edison).

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La radio y la televisión.

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Almacenamiento de información sonora (grabación y recuperación de la información) sobre cintas magnéticas. El telegráfono que graba sonidos por medios magnéticos.

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En el ámbito doméstico: la máquina de coser (Isaac M errit Singer, 1854), la plancha eléctrica (1880), la lavadora (John Fisher, 1908).

a)

c)

c)

Figura 5. Máquina de coser de Singer (a); Imágenes de las primeras planchas eléctricas patentadas (b); lavadora de fabricación alemana (c). A.L.M .

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TEMA 1

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En 1882 Hadfield patenta su acero al manganesio comienza la era del acero de aleación.

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Taylor introduce el cálculo de la duración herramientas de corte, vida útil (1903).

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Aplicación de nuevas aleaciones en herramientas de corte que soportaban mayores temperaturas de corte y permitían aumentar la velocidad de mecanizado. Aumenta la vida útil de las herramientas.

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Aparecen las herramientas de acero rápido.

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Desarrollo de nuevos materiales para herramientas: aleaciones fundidas (no férricas), carburos cementados.

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Aleaciones magnéticas (Kotaro Honda, 1916).

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Acero inoxidable (Elwoor Haynes, 1919).

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Con las nuevas herramientas se pasaba de tiempos de mecanizado de 100 minutos (a principios del siglo XX) a tiempos de 6 minutos en 1927 con los nuevos carburos cementados.

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Desarrollo de la industria química.

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Se produce un fuerte cambio en la organización de las empresas (grandes industrias): distribución de tareas y responsabilidades, planificación de la producción, protocolos y procedimientos escritos, control de la calidad (no solo del producto final, sino durante todo el proceso). Estudios sobre la planificación de la producción (optimización).

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Planificación y organización del trabajo (Grantt).

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Concepto de piezas intercambiables.

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Se demanda mayor presencia de la automatización de los procesos (sobretodo en industria automovilística).

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Primer coche fabricado en serie (Carl Benz, 1894).

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A principios del siglo XX se crea la primera planta de montaje donde se construían vehículos a partir de piezas estandarizadas fabricadas en otra factoría. El vehículo permanecía en un lugar fijo y los operarios iban y venían con los componentes (Ejemplo, fabricación del Ford T desde 1903). Con el coche fijo y los operarios moviéndose, excesivo gasto de tiempo.

Figura 6. Henry Ford (Izq.). Ford T (Dcha.).

A.L.M .

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TEMA 1

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Henry Ford (1913) prueba en su fábrica de Detroit un nuevo sistema: línea de fabricación de coches en cadena. El chasis del coche se monta sobre una cadena de eslabones que se mueve a lo largo de la nave industrial, son los operarios quienes permanecen fijos en sus estaciones de trabajo (cada estación de trabajo se encarga de una tarea diferente). Se ahorra en el tiempo de montaje un 85%.

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Se inicia la industria del plástico (PVC, 1912).

Segundo tercio del siglo XX. El ordenador: a mediados del siglo XX las empresas se replantean los métodos de fabricación y de producción: -

Importancia de la calidad. No sólo importa la calidad del producto final, se introducen términos como la calidad en el diseño (mejorar los diseños a partir de estudios de mercado y de los datos del servicio de post-venta).

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II Guerra M undial impulsora del estudio de métodos y tiempo.

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Durante los años cincuenta se mejoran las máquinas de mecanizado, ganando en potencia y estabilidad. Desarrollo de nuevas herramientas para reducir el tiempo de mecanizado. Desarrollo de las plaquitas intercambiables para herramientas de mecanizado.

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Gran desarrollo de máquinas copiadoras para mecanizado. Utilización de plantillas y cintas perforadoras para el control de las máquinas.

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El control por leva en la automatización pasó al uso de sistemas hidráulicos y electrónicos. También se desarrollaron los finales de carrera.

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La industria aeroespacial (que requería de piezas complejas que sólo podían obtenerse por mecanizado) fue la verdadera impulsora del desarrollo de las máquinas-herramienta.

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La evolución de los ordenados permitió mecanizar una leva tridimensional para el regulador de la bomba de inyección de motores de aviación. La complejidad de esta leva hacía imposible su obtención mediante mecanizado convencional. Para obtener esta leva, se conecta una fresadora tridimensional de altas prestaciones con un potente calculador que envía la información codificada de la trayectoria de la herramienta. Este hecho es el precursor del Control Numérico Computerizado (CNC) de las máquinas-herramienta., así como de la robótica.

Figura 7. Primer ordenador (Izq.); primer ordenador Apple (Dcha.) -

A.L.M .

Desarrollo ordenadores: permite los avances en control de calidad y automatización en procesos de fabricación. 19


-

TEMA 1

1947 (John C. Parsons, Estados Unidos): control numérico de fresadoras mediante tarjetas perforadas.

Figura 8. Cinta perforada para el control de máquinas-herramienta. -

1946 (G.C. Devol, Estados Unidos): control numérico con entrada de información almacenada por medios magnéticos.

-

1950 en el M IT: se desarrollan las primeras máquinas con Control Numérico gobernadas por ordenador.

Figura 9. Torno CNC (Izq.); Fresadora CNC (Dcha.). -

1961 se publica el lenguaje APT (Adaptative Program Tooling) para programación de control numérico.

-

Ingeniería asistida por ordenador.

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Desarrollo de sistema de manipulación y robótica. Los manipuladores eléctricos e hidráulicos Robots.

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TEMA 1

Figura 10. Robot con accionamiento hidráulico (Arriba); Robot eléctrico (Abajo). -

Importante: Cambio Automático de herramientas (a finales de los años 50).

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Desarrollo de plaquitas intercambiables de metal duro recubiertas de carburo de titanio (1960-1970).

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Normas ISO para las plaquitas intercambiables (códigos de identificación).

Último tercio del siglo XX. Los años 70 fueron el comienzo de décadas en las que se produjeron grandes avances en la mejora de máquinas-herramienta, herramientas de corte, controles y métodos. -

Avances en tecnologías electrónicas e informática.

-

Tecnología electrónica: permite obtener controles numéricos más potentes y fiables.

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Informática: programación de las máquinas (programación manual, programación asistida, programación gráfica interactiva…).

-

Evolución: Control Numérico Computerizado (CNC) --- Sistemas Flexibles de Fabricación -- Fabricación Integrada por Computador.

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Diseño Asistido por Ordenador (CAD), Fabricación Asistida por Ordenador (CAM ).

-

Antes de 1974 los robots eran una mezcla de tecnología eléctrica, hidráulica y neumática. Aparecen los robots con accionamiento íntegramente eléctrico.

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Fuerte desarrollo de la robótica en todos sus campos.

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1980: gran cantidad de software disponible, bajada de precios del hardware.

A.L.M .

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TEMA 1

-

Desarrollo de nuevos materiales para piezas, y nuevos materiales para herramientas que trabajen estos nuevos materiales para piezas.

-

Ingeniería Concurrente: integración de los procesos de diseño con los procesos de fabricación.

-

M étodos de control de la productividad. No sólo se busca el avance tecnológico, sino la mejor combinación posible entre hombre-máquina para conseguir la mayor productividad posible.

A.L.M .

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TEMA 1

1.3 Los Procesos de Fabricación, una parte del concepto de producción Proceso de fabricación: El objeto es obtener productos según especificaciones de diseño (planos e instrucciones) a partir de preformas o materias primas, con el apoyo de recursos de producción (materiales, equipos auxiliares, energía, información, personal…) realizado en un sistema de fabricación, mediante el empleo de una máquina o instalación con un método óptimo, de acuerdo a ciertas reglas conocidas y sometido simultáneamente a parámetros no dominados.

Reglas conocidas

Diseño

Materia Prima

P roceso d e Fabricación

Parámetros no controlables

Recursos de producción

P rod u cto

Maquinaria

Figura 11. Proceso de Fabricación. Un proceso de fabricación es aquel que, partiendo de unas materias primas, obtiene un producto diferente que satisface unas necesidades del propio fabricante o de su cliente. Existe una confluencia entre: el material (materia prima), la maquinaria y herramientas, la energía (necesaria) y la tecnología (cada vez más presente y más avanzada). Sistema (RAE): 1. Conjunto de reglas o principios sobre una materia racionalmente enlazados entre sí. 2. Conjunto de cosas que relacionadas entre sí ordenadamente contribuyen a determinado objeto. Producti vo (RAE): 1. Que tiene virtud de producir. 2. Que es útil o provechoso. 3. Que arroja un resultado favorable de valor entre precios y costes. Sistema Productivo: conjunto de elementos (materiales, maquinaria, personal…) relacionados entre sí cuyo objetivo o finalidad es la obtención de algún producto o bien. Tendremos: -

Entradas

M ateria prima, piezas elaboradas en otros procesos…

-

Proceso/s

El propio proceso de fabricación.

-

Salidas

Productos acabados, componentes de otros productos, prototipos… Los productos obtenidos pueden ser productos industriales (herramientas, motores…), bienes de consumo (alimentos, textiles…) o servicios.

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-

Entorno

TEMA 1

M edio ambiente (residuos…), sociedad de consumo (clientes, mano de obra…), otros sistemas productivos (suministro de materia prima…), economía local y global, mercados locales, mercados internacionales, leyes, gobiernos, economía local, economía global... Relaciones bastantes complejas.

Un sistema productivo puede ser discreto: -

La variedad de productos es muy grande (flexibilidad).

-

El producto se contabiliza por unidades.

-

La automatización de los sistemas es compleja.

-

Son sistemas que reaccionan rápidamente al cambio de tipo de producto (flexibilidad).

-

Inversión más baja que en los continuos, a excepción de los que se desee automatizar.

-

Necesidad de coordinación del gran número y variedad de materias primas.

-

Los equipos utilizados son válidos para atender a distintas necesidades (máquinas universales y flexibles).

Un sistema productivo puede ser continuo: -

El producto obtenido es único, o si son varios, sus diferencias son muy pequeñas.

-

Producción muy elevada. Se contabiliza en peso o volumen.

-

Variables del sistema: temperatura, humedad, presión…

-

Fábricas muy automatizadas.

-

Sistemas rígidos al cambio de tipo de producto.

-

Operan a plena capacidad (día y noche).

-

El número de materias primas es bajo.

-

Los equipos e instalaciones están muy especializadas para la fabricación de un producto concreto.

Un sistema productivo puede ser combinado: -

Continuos con características de discretos (más flexibles).

-

Sistemas Justo a Tiempo (Just in Time).

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TEMA 1

Clasificación de los Procesos de Fabricación Para cada producto y/o componente suelen existir diferentes procesos de fabricación posibles. Existen diferentes criterios para clasificar los diferentes procesos de fabricación: -

Según el producto obtenido (sólido, líquido o gaseoso, etéreo). Esta clasificación es demasiado sencilla e implica algunas dudas, ¿dónde incluimos los productos pastosos?

-

Según el campo del sector productivo: o Procesos de Fabricación Mecánica: se obtienen productos en los que no se altera, en principio, su composición química. Generalmente se obtienen productos sólidos. o Procesos de Fabricación Química: su objetivo principal es alterar la composición química del material que se trabaje. Generalmente se obtienen productos líquidos y gaseosos, aunque también sólidos. o Procesos de Obtención de Sistemas de Información: su objetivo es crear herramientas que sirven de enlace y control de otros tipos de procesos.

La frontera entre un tipo de proceso y otro no es definitiva, existen procesos de fabricación que se pueden considerar procesos mecánicos y químicos. Los Procesos de Fabricación Mecánica pueden: -

Dar consistencia: se parte de materia prima en estado líquido, pastoso, granulado o gaseoso y se obtienen productos sólidos (Ej. La fundición).

-

Conservar la consistencia: se transforma una materia conservando su masa, sin eliminar ni añadir nada (Ej. Conformado por deformación plástica).

-

Disminuir la consistencia: se transforma una materia eliminando material (Ej. M ecanizado).

-

Aumentar la consistencia: se transforma una materia añadiendo material (Ej. Galvanizado).

Alternativas de clasificación de los procesos de fabricación (ver Capitulo 1 - libro [2]): -

Producto final obtenido: se pueden obtener piezas/productos semiacabado, componentes, piezas/productos finales, productos industriales, prototipos o productos de consumo. ¿Dónde incluimos el reciclado?

-

M aterial sobre el que se trabaja: metales (aceros y derivados, aluminio…), materiales plásticos (termoplásticos, termoestables…), madera (madera natural, papel, conglomerados…), materiales compuestos, vidrio (laminado, ornamental), cerámicas, porcelanas y textiles.

-

Sector industrial al que se destina el producto obtenido (gremios artesanales): automóvil, aeronáutico, naval, ferroviario, electrónico, electrodomésticos, minería, mueble, forestal, juguetes, construcción, edificación y obras públicas, petroquímico, energético, alimentario, médico y farmacéutico.

-

Características del proceso: moldear, conformar, separar, unir, recubrir, modificar las propiedades del material, modificar las propiedades del producto.

-

M áquina y herramienta: prensas, fresadoras o centros de mecanizado, tornos o centros de torneado, hornos, máquinas taladradoras, cilindros de laminación, máquinas de tracción o torsión. Algunas herramientas son susceptibles de ser implementadas en varios tipos de

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TEMA 1

máquinas o funcionar de manera autónoma: herramientas de roscado, herramientas de atornillado, herramientas de marcado, herramientas de palpado. -

Grado de calidad del producto obtenido: no es lo mismo fabricar una tubería para la bajante de aguas residuales de un edificio residencial, que una tubería para una bajante de aguas residuales de un centro de investigación con productos altamente contaminantes o que una tubería para el circuito primario de una central nuclear.

-

Grado de innovación tecnológica del proceso: podemos diferenciar entre procesos convencionales y procesos no convencionales. En general nos referimos a procesos en los que trabajamos con nuevos materiales avanzados, que requieren nuevos procesos de fabricación, de conformado, alto requerimiento de calidad, personal cualificado, procesos altamente automatizados, complejidad de formas, reducción de desechos, nuevas herramientas… Aunque lo que hoy podemos denominar no convencional, mañana será convencional.

-

Consideraciones ambientales: contaminan, no contaminan, uso eficaz de los recursos o no (materiales, energía…), reciclado, reutilización...

-

Otras clasificaciones: según costes, según tipo de energía…

Para una visión global de nuestra asignatura, estableceremos la siguiente clasificación: -

Fundición: moldes desechables o moldes permanentes.

-

Conformado por deformación plástica y moldeado: laminación, forja, extrusión, estirado o trefilado, conformado de chapa, metalurgia de polvos y moldeo.

-

Mecanizado: torneado, mandrilado, taladrado, fresado, cepillado, escariado y rectificado, mecanizado por ultrasonidos, mecanizado químico, eléctrico y electroquímico; mecanizado por rayos láser.

-

Unión: soldadura (blanda y fuerte), unión por difusión, por adhesión y unión mecánica.

-

Acabado: pulido, tratamientos superficiales, satinado, recubrimiento…

-

Nanofabricación: la tecnología más avanzada, capaz de producir piezas con dimensiones en el nivel nano (una milmillonésima).

La selección de un proceso o método de fabricación dependerá de múltiples factores: tipo de industria, tipo de materiales, capacidad de la empresa de incorporar determinadas tecnologías…

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TEMA 1

Fundición Modelo y molde desechables y otros

Fundición de revestimiento

Molde desechable, modelo permanente otros

Molde de arena

Fundición a la espuma perdida

Molde de cáscara

Crecimiento de monocristales

Molde cerámico

Proceso rotativo

Molde permanente

Molde permanente

A presión

Centrífuga

Por compresión

Figura 12. Clasificación de los procesos de fabricación. (Fuente [1])

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TEMA 1

Conformado por deformación plástica Laminación

Laminado plano

Laminado de p erfiles

Laminado de anillos

Formado por laminación

Forja

Matriz abierta

M atriz cerrada

Recalcado

Penetración

Extrusión y estirado

Extrusión dire cta

Extrusión en frío

Estirado

Estirado de tu bos

Figura 12. Clasificación de los procesos de fabricación (continuación). (Fuente [1])

A.L.M .

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TEMA 1

Conformado de chapa Cizallado

troquelado

Ranurado

Doblado y embutición

Doblado

Plegado

Formado

Formado por estirado

Hidroformado

Punzonado

Formado en rodillos

Repujado

Penetrado

Embutición profunda

Pulsos magnéticos


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TEMA 1

Polímeros Termoplásticos

Extrusión

Moldeo por inyección

Termoestables

Prototipado rápido

Moldeo por compresión

Estereolitografía

Pultrusión

Moldeo por deposición fundida

Moldeo por soplado

Moldeo por vacío

Termoformado

Moldeo por tranferencia

Impresión 3D

Objetos laminado


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TEMA 1

Mecanizado y acabado Mecanizado

Torneado

Taladrado

Fresado

Mecanizado avanzado

Electroerosión por hilo

Electroquímico / químico

Láser

Chorro de agua Brochado

Acabado

Rectificado de superficies

Rectificado sin centros

Lapeado (abrasivo)

Pulido electroquímico


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TEMA 1

Procesos de unión Soldadura por fusión

Arco metálico protegido

Arco de metal y gas

Arco con núcleo de fundente

Arco de tungsteno y gas

Otras soldaduras

Agitación - fricción

Soldadura por resistencia

Por explosión

Soldadura en frío

Sujeción y pegado

Pegado adhesivo

Unión mediante tornillos

Soldadura por ola

Soldadura fuerte


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TEMA 1

Para cada producto y/o componente suelen existir diferentes procesos de fabricación posibles. Existen diferentes criterios para clasificar los diferentes procesos de fabricación. Algunos criterios a tener en cuenta para elegir un método de fabricación u otro: -

Precisión dimensional y acabado superficial: en función de la complejidad de la pieza a fabricar y de las dimensiones y tolerancias permitidas se deberá seleccionar un método u otro: o Piezas planas y delgadas son difíciles de obtener por fundición. o Piezas complejas son difíciles de obtener solo mediante conformado por deformación plástica. o En caliente suele obtenerse peor acabado superficial y peores tolerancias que en frío. o No todos los procesos de fundición presentan el mismo acabado superficial.

-

Coste: el coste del utillaje y herramientas es otro aspecto fundamental a tener en cuenta (aspectos relacionados: tiempo de fabricación, vida útil de las herramientas y del utillaje). También hay que tener en cuenta el porcentaje de desperdicio de material en un proceso de fabricación (no es lo mismo realizar un conformado por deformación plástica que un mecanizado). Otros aspectos: o Disponibilidad de maquinaria. o Experiencia y capacidad del personal. o Número de componentes a fabricar. o Capacidad de producción (lotes pequeños o lotes grandes). o Coste medioambiental.

Y si no elegimos el material adecuado para un componente o el proceso de fabricación correcto: -

Puede dejar de funcionar nuestro producto (fallo de algún componente).

-

El resultado conseguido no sea el esperado (no funciona todo lo bien que se desea, se desgasta fácilmente…).

-

Vida útil baja, fallos de funcionamiento en poco tiempo: elevado coste de mantenimiento.

Concepto Manufactura Neta: este concepto hace referencia a que actualmente es difícil conseguir nuestro producto acabado con un único proceso de fabricación. Por ejemplo es difícil que mediante un proceso de conformado plástico consigamos el acabado final de nuestra pieza. Imagina que fabricamos una biela mediante fundición y moldeo, la pieza obtenida tendrá rebabas y las cotas finales posiblemente deberán ser obtenidas mediante mecanizado, al igual que el acabado superficial definitivo. El concepto de Manufactura Neta hace referencia a lo cerca que se fabrica una pieza o componente de su dimensiones finales deseadas, tolerancias, acabado superficial y especificaciones finales mediante la primera operación que se realice.

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TEMA 1

Diseñar para Fabricar El diseño de los productos se pude considerar como una de las fases más importantes, ya que en función de las decisiones tomadas durante la fase del diseño depende el 70-80% del coste total de desarrollo y fabricación del producto. El diseño de un producto requiere: -

Conocer sus funciones y finalidad.

-

Conocer el mercado (potencial consumidor). Análisis de mercado y ventas.

-

Saber si es nuevo o modificación de otro ya existente.

-

Conocer los procesos de fabricación posibles.

-

Flujo de información entre el departamento de ingeniería (saber cómo se fabrica) y el departamento de marketing (saber qué queremos).

Definición de la necesidad del producto; información de mercado Diseño conceptual y evaluación; estudio de factibilidad

Análisis del diseño; revisión de códigos y normas; modelos físicos y analíticos Producción de prototipos; prueba y evaluación Planos de producción; instrucciones

Diseño Asistido por Ordenador (CAD)

Mercado

Especificación de materiales; selección de procesos y e quipos; revisión de segur idad

Especificaciones

Diseño Conceptual

Diseño de Detalle

Producción Inspección y control de calidad producción; instrucciones Embalaje; etiquetado

Fabricación Asistida por Ordenador (CAM)

Producción piloto Manufactura

Venta

Producto Final

Figura 13. Fases comprendidas entre diseño y fabricación de un producto (Izq.). Flujo general de un producto en Ingeniería Concurrente (Dcha.). (Fuente [1])

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TEMA 1

Ingeniería Concurrente: en la actualidad los productos entran y salen de los mercados con mucha facilidad, la vida de un producto es cada vez más efímera. El mercado devora productos, siempre quiere productos nuevos, que mejoren los actuales. La Ingeniería Concurrente o Simultánea se basa en las interacciones recíprocas entre todos los departamentos responsables de un mismo producto. Todos los departamentos se involucran en las primeras fases de desarrollo de un producto, de este modo se reduce el número de errores, reduciendo la posible pérdida de tiempo. Es muy importante la comunicación entre diferentes disciplinas (ingeniería, mercado, servicio postventa, diseño, fabricación, diseño para el reciclaje, diseño para la seguridad). El objetivo principal de la Ingeniería Concurrente, al integrar la fase de diseño y la fase de fabricación de un producto, es optimizar el ciclo de vida del producto, así reduce: -

Los cambios de diseño y la ingeniería del producto.

-

El tiempo y coste entre el diseño y la fabricación (puesta en el mercado).

Un producto bien diseñado: -

Debe ser funcional (diseño).

-

Tendrá un proceso de fabricación óptimo.

-

Embalaje y empaquetado que asegure que el producto llega en perfecto estado al consumidor final.

-

Funcionará correctamente para la finalidad que haya sido diseñado.

-

Será fiable (cumplirá con su función el tiempo establecido), en caso de avería será tendrá una reparación sencilla (mantenimiento, servicio post-venta).

-

Reciclable.

Ejemplo del beneficio de la Ingeniería Concurrente: una empresa redujo un 30% el número de componentes en uno de los motores que fabrica, con esto consiguió reducir un 25% el peso del motor y un 50% el tiempo de fabricación. Importante: gracias al uso de técnicas como modelado y diseño asistido por ordenador (CAD), ingeniería asistida por computadora (CAE) y manufactura asistida por computadora (CAM ), podemos analizar de forma rápida cualquier proceso de fabricación, diseñar de forma integra complejos sistemas o productos, simular situaciones reales para la ayuda en la toma de decisiones, fabricación de prototipos…

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TEMA 1

Diseño para la Fabricación, Ensamblaje y Desensamblaje y Servicio Diseñar para fabricar o Diseño para manufactura (DFM): las personas responsables del diseño de un producto deben tener siempre en cuenta el modo en el que este producto se fabrica (materiales, procesos de fabricación, planificación de los procesos de fabricación, ensamblaje de componentes, controles de calidad). En la fase del diseño se deben tener en cuenta el tipo de máquina que se va a utilizar, las características y propiedades del material, la precisión dimensional, el acabado superficial… Diseñar para ensamblar y para desensamblar: las operaciones de ensamblaje de los componentes de una pieza pueden suponer gran parte del coste de fabricación. En el diseño del producto se deberá tener esto en cuenta.

Mal

La parte puede no encajar bien y colgarse

Bien

Mal

Bien

Mal

El biselado ayuda a que la parte caiga en su lugar

La pa rte debe solta rse antes de estar bien colocada

Bien

La parte se coloca antes de soltarla

Se puede enredar fácilmente

Mal Mal

Bien

Una pieza pude deslizar sobre otra, difícil de transportar en cadena

Fácil de transporta r en ca dena

Inserción difícil

Agujero de ex pulsión de aire en la pieza

Sólo se enr eda bajo presión

Bien

Agujero o plano de expulsión de aire en el perno

Figura 14. Diseño para ensamble. (Fuente [1]) Se deberá diferenciar si el proceso de montaje es manual o automatizado: -

M ontaje manual: debe ser ergonómico (diseñado para ser montado por una persona); las piezas no deben ser ni muy pequeñas ni muy grandes, fáciles de agarrar, evitar que sean frágiles. Es preferible la simetría en las piezas, de modo que puedan ser montados en varias posiciones; si no hubiera simetría, el operario debe poder identificar fácilmente la posición correcta para el montaje. Además, debe haber buena iluminación, todos los componentes a ensamblar deberán ser accesibles, evitar grandes esfuerzos, evitar componentes complejos (normalización), sencillez de montaje, facilitar el autocentrado o autoacoplamiento, evitar el uso de tuercas (usar agujeros roscados).

-

M ontaje automatizado: se deberá prestar especial atención a la presentación de las piezas (el sistema automático de montaje deberá recibir las piezas en su posición correcta); tipo de acoplamiento (ajustes forzados, sujeción roscada, retenes, ajustes elásticos, soldadura y adhesivos, remachado, costura…); control de esfuerzos (debe haber algún sistema que los esfuerzos durante el montaje automático para evitar daños en los componentes y/o en el producto final).

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TEMA 1

Criterios para la selección de materiales Principales materiales disponibles: -

M etales ferrosos: aceros al carbono, aleaciones, inoxidables...

-

M etales no ferrosos: aluminio, magnesio, cobre, níquel, titanio, superaleaciones, metales refractarios, berilio, zirconio, aleaciones de bajo punto de fusión y metales preciosos.

-

Plásticos (polímeros): termoplásticos, termoestables y elastómeros.

-

Cerámicos, vidrios, cerámicos vidriados, grafito, diamante.

-

Composites: plásticos reforzados, de matriz metálica, de matriz cerámica (materiales de ingeniería).

-

Nanomateriales, aleaciones con memoria de forma, aleaciones amorfas, semiconductores, superconductores y otros materiales avanzados con propiedades únicas.

Propiedades a tener en cuenta a la hora de seleccionar un material: -

M ecánicas (resistencia, tenacidad…).

-

Físicas (densidad, calor específico, conductividad eléctrica…).

-

Químicas (oxidación, corrosión…).

-

Propiedades de manufactura (determinan que tecnologías de fabricación son aplicables a cada material, si se puede fundir, mecanizar…).

-

Coste.

-

Disponibilidad.

-

Aspecto.

-

Vida útil.

-

Reciclaje.

Fabricación y Medio Ambiente La actividad industrial tiene efectos negativos sobre el medio ambiente, el ecosistema de la Tierra y, por tanto, en la calidad de vida del ser humano (contaminación del agua, del aire, reducción de la capa de ozono, lluvia ácida, efecto invernadero, residuos peligrosos). Se debe pensar siempre en minimizar el efecto negativo sobre el medio ambiente. Algunos criterios: -

Reducir el desperdicio de material (desde el diseño hasta la fabricación).

-

Reducir el uso de materiales peligrosos.

-

Invertir en I+D (Investigación y Desarrollo) para la obtención de nuevos materiales y procesos de fabricación respetuosos con el medio ambiente.

-

Planificación e integración del reciclaje, tratamiento de residuos y reutilización de materiales desde el diseño del producto hasta el final de su ciclo de vida.

Concepto Diseño y fabricación consciente del medio ambiente. Concepto Diseño para el medio ambiente o Diseño verde: este método intenta anticiparse al impacto negativo que la fabricación de un producto, su uso y desuso pueda tener el medio ambiente, definiendo y aplicando las medidas correctoras oportunas. Objetivos: evitar la contaminación, promover el reciclaje y la reutilización de los residuos (Diseño para el reciclaje ). A.L.M .

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TEMA 1

Fabricación y los ordenadores Con el desarrollo de los ordenadores (software y hardware) y su integración en los sistemas productivos y en la industria, se ha extendido la denominada Manufactura o Fabricación Asistida por Ordenador (CAM), donde se integra el hardware y el software desde la concepción de un producto (su diseño) hasta su fabricación y distribución en el mercado, ventajas. -

Capacidad de respuesta a los cambios de demanda del mercado y del consumidor.

-

Optimización en el uso de materiales, herramientas, utillaje y personal.

-

M ayor control sobre la producción y la administración.

-

Producción de alta calidad a bajo coste.

Algunas de las aplicaciones más importantes: -

Control Numérico por Computador (CNC): sus inicios remontan a la década de 1950, se basa en el control del movimiento de máquinas-herramienta mediante la codificación de las órdenes en forma de códigos numéricos.

-

Control Adaptable (AC): los parámetros que regulan un proceso de fabricación se regulan y ajustan de forma automática para optimizar la velocidad de producción y la calidad del producto, minimizando su coste. En el control se integran sensores que monitorizan diferentes variables (fuerza, temperatura, acabado superficial, dimensiones de las piezas…) en función de las cuales se regulan los parámetros del proceso.

-

Robótica Industrial : sus inicios se remontan a la década de 1960, sustituyen la mano de obra humana en tareas peligrosas y/o repetitivas, reduciendo los errores humanos, la variabilidad en la calidad de producción y aumentando la jornada de trabajo, aumentando la productividad.

-

Manejo automatizado de materiales: manejo eficiente de materiales y componentes: transporte de materiales de un puesto de trabajo a otro…

-

Sistemas de ensamblaje automatizado o robotizado.

-

Planificación de procesos asistida por ordenador: se optimiza la productividad de un proceso mediante la planificación de todo el proceso, reduciendo costes.

-

Tecnología de grupos: se agrupa la fabricación de piezas o componentes similares en familias o grupos (por similitud en su modo de fabricación). Se estandarizan los diseños y la planificación de la producción.

-

Sistema de fabricación Justo a Tiempo (Just in Time): la materia prima, los componentes y partes de un producto se suministran en cada fase productiva justo en el momento en el que hacen falta. Los componentes y partes se fabrican justo en el momento que hace falta. Los componentes y piezas se fabrican justo en el momento que los necesita el cliente. Se elimina o reduce al mínimo el almacenaje de productos. La calidad del producto se verifica en cada puesto de trabajo, cada puesto es responsable de la calidad en ese momento (la calidad no se verifica solo al final del proceso). Este sistema tiene su origen en Japón, donde la disponibilidad de suelo industrial es reducida. M étodo Sakichi Toyoda: o Just In Time (ジャストインタイム)

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Justo a Tiempo.

o Kanban

(看板, también かんばん)

Tarjeta, o ficha.

o M uda

(無駄, también ムダ)

Despilfarro.

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TEMA 1

o Heijunka

(平準化)

Nivelado de la producción

o Andon

(アンドン)

Pizarra.

o Poka-yoke

(ポカヨケ)

evitar (yokeru) errores inadvertidos (poka).

o Jidoka (自働化) o Kaizen

(改善)

No dejar pasar el error. M ejora Continua.

-

Manufactura o Fabricación Celular: se utilizan estaciones de trabajo o “ Celdas de Fabricación ” (con varias máquinas-herramienta) controladas por un control central. Cada máquina realiza una operación diferente.

-

Sistemas de Fabricación Flexible : integran Celdas de Fabricación en un sistema superior, todos ellos gestionados o controlados por un control central. Son sistemas costosos, pero que son muy flexibles a la hora de cambiar el tipo de producto producido.

-

Sistemas Expertos: sistemas informáticos capaces de realizar tareas y resolver operaciones complejas igual que lo harían expertos en la materia, pero con una capacidad mucho mayor.

-

Inteligencia Artificial : uso de máquinas y ordenadores para reemplazar la inteligencia humana. Sistemas que sean capaces de aprender de su entorno y tomar decisiones. Las Redes Neuronales Artificiales tratan de simular el razonamiento humano aplicado a modelar y simular procesos de fabricación, controlarlos, diagnosticar problemas…

Clasificación de los niveles de automatización en fabricación industrial: -

Trabajos de Taller: se utilizan máquinas herramienta y centros de mecanizado con elevada participación de la mano de obra. Son muy flexibles pero con baja productividad.

-

Producción autónoma de NC: utiliza máquinas de Control Numérico, pero con elevada participación también de la mano de obra. Aumenta la producción con respecto al anterior, pero baja bastante la flexibilidad.

-

Celdas de manufactura: utilizan conjuntos de máquinas con control integrado por ordenador y manejo flexible de materiales (incluso con robots industriales). Aumenta la producción con respecto los anteriores y mejora la flexibilidad con respecto al anterior.

-

Sistemas flexibles de fabricación: utilizan control por ordenador en todos los aspectos de la fabricación, incorpora varias celdas de manufactura y sistemas automatizados de manejo de materiales. Aumenta la producción con respecto a los anteriores y alcanza niveles de flexibilidad similares al primero.

-

Líneas Flexibles de fabricación: organiza la maquinaria controlada por ordenador en línea, disminuye la flexibilidad con respecto al anterior pero aumenta la productividad.

-

Líneas de flujo y líneas de transferencia: agrupamientos organizados de maquinaria con manejo automatizado de materiales y máquinas. Estas líneas suelen tener la flexibilidad limitada, pues se busca elevadas productividades a costa de ser un sistema más rígido.

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TEMA 1

En general, ventajas de la automatización: -

Integración de los diferentes aspectos relacionados con la fabricación o producción, se mejora la calidad, uniformidad, tiempos de fabricación, costes…

-

Mejora la productividad

-

Mejora la calidad (mayor repetibilidad)

-

Menor participación humana (reduce error humano)

-

Reduce pérdidas de piezas de trabajo por daño o fallo

-

Mayor seguridad para el personal

-

Minimiza la necesidad de espacio.

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2

TEMA 2

TEMA 2: SISTEMAS Y PROCESOS DE FABRICACIÓN. ORGANIZACIÓN DE A PRODUCCIÓN

2.1 Introducción a los Sistemas de Producción y Fabricación. Sistemas de Fabricación Flexible Un Proceso de Fabricación se puede definir como el conjunto de diferentes fases o etapas sucesivas que tienen lugar en la operación de fabricación. Un proceso de fabricación es aquel que, partiendo de unas materias primas y aportando un valor añadido, obtiene un producto diferente que en principio satisface las necesidades del fabricante o del cliente. El estudio de un Proceso de Fabricación se centra en conocer las transformaciones que se llevan a cabo (físicas, químicas o de cualquier otro tipo). El objetivo de estudiar cualquier proceso de fabricación es analizar todas las etapas o transformaciones y la tecnología implicada a cada etapa, existiendo siempre un gran número de posibilidades para una misma operación. Un Sistema de Fabricación se puede definir como el conjunto de entidades y componentes, físicos o lógicos, que ordenadamente relacionados entre sí contribuyen al objeto de la fabricación. El concepto Sistema de Fabricación es más amplio que el Proceso de Fabricación, ya que incluye todo lo relativo al tipo de máquinas, métodos, recursos, costes, plazos, calidad… Se podría decir que un proceso de fabricación es una parte de un sistema de fabricación. Por ejemplo, suponiendo el corte de una chapa: -

En el estudio del proceso de corte de una chapa se analizaría el proceso en sí, las transformaciones sucesivas que tienen lugar y la tecnología asociada a cada secuencia. Existen muchas posibilidades de realizar el proceso de corte: láser, plasma, oxicorte, cizalla, punzonado…

-

Desde el punto de vista del sistema de fabricación, la perspectiva de estudio es más amplia, abordando las diferentes alternativas relativas al tipo de máquina, métodos, recursos, costes, plazos, calidad…

En un S istema de Fabricación podemos hablar del papel que juegan los sistemas de transferencia, los robots, el control numérico, el sistema de control de planta, el diseño asistido por ordenador (CAD) o la fabricación asistida por ordenador (CAM ). Un tipo de sistema de fabricación particular que se estudiará más en detalle es el denominado S istema de Fabricación Flexible . *Estos conceptos se estudiarán en profundidad en la asignatura Fabricación Industrial, de modo que en este tema se hará una breve introducción de cada uno.

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TEMA 2

Sistemas de Transferencia Suelen ser habituales cuando el número de piezas a fabricar es muy elevado. Presentan dos componentes principales: el propio sistema de transferencia o transfer y las denominadas máquinas especiales. En principio se usaban máquinas universales capaces de realizar un gran número de operaciones; pero cuando en un puesto de trabajo se realiza una operación sencilla, como un taladrado, no se justificaba la inversión. Las máquinas especiales están diseñadas específicamente para realizar una tarea concreta. Es común agrupar sobre una misma máquina operaciones de la misma naturaleza (taladradoras multi-husillos, tornos con cambio de herramienta múltiple, fresas con varios cabezales…); de esta agrupación surgen las unidades autónomas de trabajo o cabezales especiales (elemento básico de una máquina especial ).

Unidades autónomas de trabajo o cabezales especiales: están compuestas por elementos mecánicos motorizados provistos de un eje giratorio portaherramientas (unidad de giro); alojados en un bloque que permite hacer desplazamientos de avance y retroceso (unidad de avance ). Operaciones comunes: taladrado, roscado, fresado, ranurado, refrentado… Tipos de máquinas: -

Máquinas especiales de puesto fijo (la pieza de trabajo permanece fija y se realizan las operaciones necesarias). Diseñadas para producir un producto estándar. Aunque los parámetros de producción (velocidad, avance, profundidad de corte…) se pueden modificar, suelen ser máquinas poco flexibles y muy especializadas. No suele ser posible modificarlas para producir una pieza diferente de la ya preestablecida.

-

Máquinas de transferencia: se utilizan para mover las piezas de un lugar a otro: rieles (Fig. 1a); mesas giratorias (Fig. 1b); trasportadores o bandas transportadoras aéreas. Pueden ser: abiertas (lineales o en U) o cerradas (circulares). Las lineales son menos flexibles pero permiten un mayor número de puestos de trabajo que las circulares o en U. Cabezales Cabezales

Piezas de trabajo Tarima

Piezas de trabajo Mesa Giratoria

Figura 1. Transferencia lineal (a); Transferencia circular (b). (Fuente [1]) Ventajas de este tipo de máquinas: -

Reduce la mano de obra, el consumo de útiles, la superficie necesaria, el tiempo de fabricación, gastos de mantenimiento, piezas defectuosas.

-

La normalización de los componentes básicos de este tipo de máquinas hace que estos sistemas de fabricación sean muy flexibles, pudiendo adaptarse a los cambios exigidos por el mercado (No confundir con la poca flexibilidad de las máquinas especiales de puesto fijo; aunque estas máquinas consideradas individualmente sean poco flexibles, al conjunto se le considera bastante flexible).

-

Gran uniformidad en la calidad y acabado de las piezas.

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APUNT ES DE T EORÍA DE T ECNOLOGÍA DE LA FABRICACIÓN

TEMA 2

Robots (breve introducción) Autómata: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado, término utilizado ya en la antigua Grecia. Robot : término utilizado por primera vez en 1921 en la obra Rossum’s Universal Robot del escritor checo Karen Capek (1890-1938). El término podría haber caído en desuso si no hubiera sido tan recurrido en los escritos de ciencia ficción. El escritor ruso Isaac Asimov (1920-1992) fue el máximo impulsor del término robot, fue quien enunció por primera vez las tres leyes de la robótica: 1.

Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño.

2.

Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley.

3.

Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley.

Telemanipuladores: pueden considerarse los antecesores de los robots. Surgieron de la necesidad de manipular material radioactivo sin peligro para el operador. El primer manipulador consistía en un sistema mecánico maestro-esclavo. El maestro situado en zona segura era movido por el operador, el esclavo unido mecánicamente con el maestro reproducía los movimientos del maestro para manipular el material radioactivo. De la unión mecánica se pasó al uso de la tecnología electrónica y el servocontrol. La evolución de los telemanipuladores no ha sido tan destacada como la de los robots, quedando los primeros limitados a su uso en la industria nuclear, militar, espacial… Los telemanipuladores necesitan la presencia del maestro-operador que los maneja. Al sustituir al operador por un ordenador que controla los movimientos se pasó al concepto de robot.

Figura 2. Telemanipuladores. Los robots más conocidos quizás sean los denominados robots industriales o robots de producción, ligados a la fabricación industrial. También nos encontramos con los robots de servicio o robots especiales, que poco a poco se van incorporando a la vida cotidiana de las personas (robots de asistencia personal, de ayuda para discapacitados…).

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TEMA 2

Definición de Robot industrial : existe cierta controversia a la hora de definir el concepto de robot industrial, ya que puede variar de un país a otro. -

Para Japón un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico destinado a la manipulación.

-

En occidente se exige una mayor complejidad sobretodo en lo relativo al control.

-

Según la Asociación de Industrias Robóticas (RIA): un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable , capaz de mover materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.

-

Según la Organización Internacional de Estándares (ISO): un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.

-

Según la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR):

o M anipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo lógico. o Robot: manipulador automático servocontrolado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. -

Según la Federación Internacional de Robótica (IFR): por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que puedan posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.

Clasificación de los robots industriales en generaciones: -

1ª Generación: repiten una tarea programada secuencialmente. No tiene en cuenta alteraciones de su entorno.

-

2ª Generación: adquiere información limitada de su entorno y actúa en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia.

-

3ª Generación: se programan utilizando el lenguaje natural. Es capaz de planificar tareas de forma automática.

Definición de Robot de servicio: dispositivos electromecánicos móviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecánicos independientes, controlados por un programa de ordenador y que realizan tareas no industriales de servicio. En esta categoría entrarían aquellos robots destinados a cuidados médicos, educación, domésticos, intervención en ambientes peligrosos, aplicaciones espaciales, submarinas, agrícolas. Esta clasificación excluye a los telemanipuladores.

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TEMA 2

Estructura de un robot: un robot suele estar constituido por una serie de eslabones unidos mediante articulaciones que permiten el movimiento relativo de un eslabón respecto otro. Las articulaciones podrán tener 1 (prismática), 2 (planar) o 3 (rótula) grados de libertad. El número de grados de libertad total del robot vendrá dado por el número y tipo de articulaciones. En la Figura 3 se muestran las configuraciones más comunes en los robots. El grado de libertad de un robot se define como el número de movimientos que puede realizar el robot en el espacio. La estructura del robot industrial suele denominarse por brazo y muñeca. Suelen tener 6 grados de libertad (3 en el brazo y tres en la muñeca). Según la estructura del robot, se puede considerar cuatro estructuras básicas: -

Polar: el brazo telescópico describe o se mueve en un volumen de una esfera o semiesfera.

-

Cilíndrica o tipo SCARA: el extremo del brazo o actuador puede moverse en el volumen comprendido entre dos cilindros concéntricos.

-

Cartesiana: el extremo se puede desplazar en el volumen incluido en un paralelepípedo.

-

Antropomórfico, de brazo articulado o angular: generalmente con la forma de un brazo humano.

Figura 3. Principales configuraciones en robots industriales. (Fuente [3]) Volumen de trabajo: se refiere al espacio físico que es accesible por el robot (por el actuador final del robot).

Figura 4. Volúmenes de trabajo para diferentes configuraciones de robots. A.L.M .

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TEMA 2

Actuador o efector final : es el encargado de realizar las operaciones de manipulación para las que esté destinado el robot (pinzas para manipular, pistola de pintar, electrodos de soldadura, atornillador-desatornillador, taladros, ventosas de vacío para coger piezas planas, electroimanes, cucharas para fundición, sensores…). Fuente de potencia: cada movimiento o grado de libertad del robot (ya sea lineal o rotacional) se controla y regula con actuadotes independientes (eléctricos, neumáticos o hidráulicos). Cada fuente de energía tiene sus propias características, ventajas e inconvenientes. Sensores: el avance de la tecnología y de la programación permite la existencia de robots capaces de realizar operaciones programadas y además, modificar esas operaciones en función de su entorno. Para esto, es necesario dotar al robot de sensores que transformen en una señal eléctrica la magnitud que se quiera considerar. Algunos sensores: mecánicos (miden posición, forma, velocidad, fuerza, presión, vibración…), eléctricos (voltaje, corriente…), magnéticos (campos magnéticos, flujo, permeabilidad), térmicos (temperatura, flujo de calor, conductividad, calor específico) y otros (acústicos, ultrasonidos, químicos, ópticos, de radicación…). Aplicaciones: los tres principales campos de actuación son: -

Carga y descarga: manipulación física de piezas para transportarlas de un puesto de trabajo a otro, a la hora de diseñar el robot se tendrá que tener en cuenta:

o Orientación y posicionamiento de las piezas. o Tipo de pinza o efector final. o Volumen de trabajo requerido. o Peso total (robot + pieza) --- Potencia necesaria. o Grados de libertad. o Precisión y repetitividad. -

Operaciones de procesado: el efector final del robot realiza alguna operación sobre la pieza. La operación puede ser de fabricación (soldadura, pintura, mecanizado…) o de control de calidad (selección mediante visión artificial, control de medidas, control de acabados…); ambas operaciones dan valor añadido a las piezas.

-

Operaciones de montaje y acabado: en estas operaciones, además de las precauciones de elección del actuador final adecuado, volumen de trabajo…, hay que tener en cuenta que el sistema de alimentación de las piezas hacia el robot debe asegurar la posición correcta de llegada de las piezas. En estas operaciones son fundamentales el control de la posición y el control de esfuerzos.

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TEMA 2

Una clasificación amplia de robots actualmente en uso es la siguiente: -

Robots de secuencia fija y variable : Fija: se programan para una secuencia específica de operaciones (es común la de coger una pieza y llevarla a otro sitio). Los movimientos suelen ser de punto a punto y el ciclo se repite de forma continua. Variable: igual que el anterior, pero es posible reprogramarlo.

-

Robot reproductor con movimiento: un operador hace que el robot reproduzca los movimientos (trayectorias) y operaciones; el robot registra toda la secuencia de movimientos y es capaz de reproducirla automáticamente.

-

Robot controlado numéricamente : se programa como una máquina CNC, mediante un lenguaje de programación propio. Se puede reprogramar tantas veces se quiera. Se pueden programar movimientos punto a punto o trayectorias.

-

Robot inteligente (sensorial): es capaz de realizar algunas tareas y funciones como los humanos. Presenta sensores de visión, táctiles o de contacto; el robot puede observar y analizar su entorno, evaluarlo (siguiendo patrones) y tomar decisiones.

Vehículos autoguiados: se puede considerar como un robot al que se le ha dotado de capacidad de movimiento o desplazamiento. Al igual que en un robot, tendremos el vehículo y el ordenador que lo gobierna. Quizás la principal diferencia sea que en un vehículo la comunicación con el ordenador debe ser sin cables (transmisión mediante infrarrojos, por radio) con los inconvenientes que pueda tener (deba haber contacto visual con entre el vehículo y el puesto de control, en el caso de los infrarrojos, o que pueda haber interferencias). Principales tipos de vehículos: sobre ruedas (simples u orugas), patas, para interior de tubos o conductos, exploración submarina.

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TEMA 2

Control Numérico El control numérico de las máquinas-herramienta no surgió de la necesidad de automatizar la producción (para grandes lotes), sino de la necesidad de fabricar piezas muy complejas para la industria aeronáutica, imposibles de conseguir con métodos convencionales. El control numérico se basa en el control de las trayectorias y operaciones de máquinas-herramienta (tornos, fresadoras, centros de mecanizado, máquinas de corte…) mediante ordenador. Se utilizan lenguajes de programación que se basan principalmente en líneas de código o comandos expresados por números (y letras). Aunque en la actualidad, existen muchas máquinas en las que el código que se utiliza para programar las máquinas utiliza comandos más complejos que no sólo utilizan líneas de código numéricas (y letras) [códigos de nivel superior]. El Control Numérico (CN) es un método basado en el control de los movimientos de las máquinas-herramienta mediante el uso de órdenes o instrucciones codificadas en líneas de números y letras. Estas líneas de código numéricas son leídas e interpretadas por la máquina dando como resultado diferentes señales de salida. Estas señales de salida se dirigen a los diferentes componentes de la máquina para llevar a cabo la función u operación indicada (movimientos de la pieza de trabajo, movimientos de la herramienta, activación/desactivación del fluido de corte, cambio de herramienta…). Al principio las instrucciones se proporcionaban a las máquinas con control numérico mediante el uso de tarjetas o cintas perforadas, del mismo modo que se hacía en los ordenadores antiguos. Con el desarrollo de la tecnología, las máquinas-herramienta incorporaron sus propios ordenadores, a lo que se le denomina Control Numérico Computarizado (CNC). Las ventajas del mecanizado CN o CNC frente al mecanizado tradicional parecen claras, podemos mencionar algunas: -

Permite realizar formas mucho más complejas; aumenta la flexibilidad de la máquina en cuanto a la complejidad y variedad de trabajos distintos que se pueden realizar.

-

Aumenta la precisión dimensional.

-

Se pueden repetir los trabajos fácilmente.

-

Reduce la pérdida de material.

-

Permite mayores velocidades de trabajo.

-

Aumenta la calidad de las piezas y la productividad.

-

Reduce el coste de material (no es necesario el uso de plantillas)(menor número de errores).

-

Se facilita el ajuste de la máquina.

-

Se reducen los tiempos muertos (cambios de herramienta, inicio de nuevos trabajos…).

-

La programación de piezas complejas es relativamente rápida. Los programas se almacenan en bases de datos y se pueden reutilizar.

-

Permite la producción de prototipos con rapidez.

-

Se requiere menor cualificación del operador de la máquina (aunque requiere de un programador).

Principales inconvenientes el coste inicial, necesidad de un programador, equipos informáticos y el mantenimiento requerido. Nota: El mecanizado o con formado po r arranqu e de viruta es un pro cedimiento que p ermite modi ficar form as, dimensiones y/o el grado de acabado sup erfi cial de piezas obtenidas con otros pro cesos de fabri cación. Esta trans formación o modificación se realiza arran cando capas de metal (o creces de mecani zado) que se trans fo rman en viruta.

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TEMA 2

Sistemas de Control de Planta En producción se pueden distinguir diferentes niveles jerárquicos de control a modo de estructura piramidal (a veces denominados subsistemas) (Pirámide CIM). En cada nivel se toman decisiones y se genera información que afecta a los niveles inferiores, los cuales a su vez informan a los niveles superiores sobre las operaciones realizadas necesarias para alcanzar los objetivos establecidos. -

Nivel 0: dispositivos y sensores de control activo (reguladores, actuadotes, transductores, sensores, medidores…).

-

Nivel 1: controladores de máquinas y procesos (máquinas-herramienta CNC, robots, manipuladores…)

-

Nivel 2b: dirección de célula (supervisa las actividades llevadas a cabo en los procesos de producción, coordina las tareas del proceso y se encarga de la conexión con los dispositivos de control).

-

Nivel 2a: dirección de área (enlace entre niveles para la coordinación de tareas y análisis de datos de proceso, informes y planificación a corto plazo).

-

Nivel 3: dirección de planificación (planifica a medio plazo los recursos productivos de la empresa, establece el plan de calidad a seguir y se realiza el diseño de los procesos productivos y de los productos).

-

Nivel 4: dirección estratégica (establece los objetivos a alcanzar, evalúa los resultados y gestiona al personal y otros activos).

En los niveles 2a y 2b se distribuye la información generada en los niveles 3 y 4 a los niveles inferiores. En los niveles 3 y 4, la toma de decisiones y el flujo de información puede durar años, en los niveles 2 la información se transmite a los niveles inferiores en días.

Sistemas de control de planta (S CADA: Supervisory, Control And Data Adquisition System): abarca a todos los sistemas de información encargados de recoger de forma flexible datos de una red de telemedida y control, supervisar los datos, analizarlos y producir señales de control avanzado. Algunas de las funciones más comunes son: -

Plataformas de integración de dispositivos.

-

Bases de datos en tiempo real.

-

Histórico y generador de informes.

-

Gestión de alarmas.

-

Interfaz hombre-máquina.

-

Unidad de programación.

-

Funciones complementarias.

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TEMA 2

Diseño Asistido por Ordenador (CAD) El Diseño Asistido por ordenador (CAD) abarca el uso de los ordenadores para la obtención de planos (2D) y modelos (3D) del diseño de productos. En general el diseño asistido por ordenador se asocia a gráficos interactivos (sistemas CAD). Los sistemas de diseño asistido por ordenador son herramientas muy potentes y útiles para el diseño geométrico de piezas, componentes, productos… Como ejemplo de una herramienta podemos citar los programas AutoCAD y el programa SolidWorks; el primero surgió de la necesidad de realizar diseños en 2D y el segundo para el diseño de piezas en 3D.

Planta y Perfil (2D)

Modelo de estructura de alambres

Perfil del cuerpo

Modelo de superficies

Cuerpo giratorio Modelo de volúmenes

Figura 5. Tipos de modelado con herramientas CAD. (Fuente [1]) Programas CATIA (Aplicaciones Interactivas Tridimensionales Asistidas por Ordenador): estos programas permiten que el diseño CAD pueda ser sometido a análisis de ingeniería y detectar problemas futuros (exceso de carga, deflexión…). También podemos almacenar en la base de datos CAD información como listas de materiales, especificaciones de fabricación… Con toda esta información se pueden realizar análisis económicos y proponer diseños alternativos.

Ingeniería Asistida por Ordenador (CAE) : permite el intercambio de información entre diferentes aplicaciones: -

Análisis de esfuerzos, deformaciones, deflexiones, distribución de temperatura mediante elementos finitos.

-

Generación de CNC.

-

Diseño de circuitos integrados y dispositivos electrónicos.

El diseño en programas CAD se puede resumir en cuatro etapas:

1. Modelado Geométrico. 2. Análisis y optimización del diseño. 3. Revisión y evaluación de diseños. 4. Documentación y proyectos.

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TEMA 2

Fabricación Asistida por Ordenador (CAM) A menudo se combina el Diseño Asistido por Ordenador (CAD) con la Fabricación Asistida por Ordenador (CAM ) dando lugar a los denominados s istemas CAD/CAM. Esta combinación permite transferir información desde la etapa de diseño hasta la etapa de fabricación. La CAM almacena y procesa la información desarrollada u obtenida durante el diseño en CAD, obteniendo los datos e instrucciones necesarios para el control y manejo de la maquinaria de producción. Una característica muy importante de los sistemas CAD/CAM es su gran capacidad para obtener y describir las trayectorias de las herramientas a partir del diseño de una pieza en CAD. Algunas aplicaciones de los sistemas CAD/CAM : -

Programación de control numérico.

-

Programación de robots industriales.

-

Diseño de matrices y moldes para fundición.

-

Diseño de matrices complejas para conformado de chapa metálica, matrices de estampado.

-

Diseño de herramientas.

-

Control de calidad e inspección.

-

Planificación y programación de procesos.

-

Distribución en planta.

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TEMA 2

Sistemas de Fabricación Flexible Sistemas de Fabricación Flexible (FMS ): integra todos los elementos característicos de un sistema de fabricación altamente automatizado. Este tipo de sistemas se desarrollaron a principios de la década de 1960. Están formados por diferentes Celdas de Fabricación Flexibles, con Robots Industriales que dan servicio a diferentes Centros de M ecanizado; consta además de un sistema de gestión automatizado de materiales; todo ello conectado o centralizado mediante un ordenador central. Las máquinas, herramientas y operaciones de fabricación adquieren una flexibilidad incorporada Sistemas Flexibles de Fabricación. Como resultado, el sistema es capaz de responder a los cambios en las demandas del mercado (cambios de tipo de producto) y, además, permite asegurar la entrega a tiempo de los pedidos (similar a los sistemas “Justo a Tiempo”). Gracias al uso de técnicas CAD/CAM y de prototipado rápido se consigue reducir el tiempo de respuesta ante cambios de demanda en el mercado (lanzamientos de nuevos productos).

Principales elementos o componentes de un Sistema de Fabricación Flexible: -

Estaciones de Trabajo y Celdas Flexibles (centros de mecanizado de tres a cinco ejes; fresadoras, taladradoras y rectificadoras; equipos de inspección; ensamblaje; limpieza; formado de láminas; troquelado; cizallado; forjado; hornos; prensas; tratamientos térmicos…).

-

M anejo y Transporte Automatizado de materiales y piezas (vehículos guiados; bandas transportadoras; mecanismos de transferencia; pallets).

-

Sistema de Control.

Las operaciones más comunes son: (i) procesos de mecanizado, rectificado, corte, formado, metalurgia de polvos, tratamiento térmico y acabado; (ii) manejo de materias primas; (iii) medición en inspección (control de calidad); (iv) ensamblado.

Máquina de medición de coordenadas Centro de Mecanizado Carrusel de herramientas

Husillo

Estación de Tarimas (Pallets) Vehículos Autoguiados

Figura 6. Esquema de un Sistema Flexible de Fabricación. (Fuente [1]) A.L.M .

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TEMA 2

En este tipo de sistemas se pueden gestionar diferentes piezas (y sus componentes) por separado para cada una de las estaciones de trabajo. El sistema puede gestionar la fabricación de un gran número de piezas diferentes y obtenerlas en cualquier orden. El sistema de control central permite optimizar todo el proceso en base a ir optimizando cada una de las operaciones individualmente. Las máquinas no suelen estar organizadas por líneas (avance de piezas lineal), sino que las piezas pueden desplazarse de una máquina a otra según las necesidades en cada caso. Los Sistemas Flexibles de Fabricación combinan la alta productividad de sistemas de fabricación del tipo “Líneas de Transferencia” (muy poco flexibles) y la flexibilidad del trabajo en taller. Los Sistemas de Fabricación Flexible permiten que la producción para una serie limitada de piezas obtenga las ventajas características de la fabricación de grandes series.

Tabla 1. Comparación de características generales de Líneas de Transferencia y Sistemas Flexibles de Fabricación. (Fuente [1]) Varied ad de Piezas T amaño del lote T iempo de cambio de pieza Cambio de herramienta Control adaptable Inventario Producción durante mantenimiento Justificación de gasto de capital

Línea de Transferencia Poca >100 Alto Alto – Manual Difí cil Alto Ninguna Simple

Sistema Flex ible de Fabricación In finita 1-50 Muy bajo Automático Disponible Bajo Parcial Difí cil

En un Sistema de Fabricación Flexible: (i)

Las piezas se pueden producir de forma aleatoria y en tamaños de lote reducidos (hasta de una unidad y con un coste unitario inferior que en otros sistemas).

(ii)

Se reduce o elimina la mano de obra directa y los inventarios; (iii) el tiempo para el cambio de producto es bajo.

(iii)

La calidad de producción uniforme (incorpora sistemas de control que permiten ajustar el proceso productivo durante el mismo).

¿Cómo saber si necesitamos un Sistema de Fabricación Flexible? -

Si tenemos piezas similares, tamaños de lote medianos y relativamente grandes en este caso podría no ser necesario tener máquinas-herramientas encadenadas, bastaría con disponer de almacenes intermedios para las piezas en curso. Al tener piezas similares no sería necesaria la flexibilidad de este tipo de sistemas. Al tener tamaños de lote medianos o grandes, podría ser más adecuado irnos a un sistema de fabricación más productivo, aunque menos flexible (automatización más rígida: líneas de flujo convencional, líneas de transferencia).

-

Producción de lotes medianos de piezas diferentes en este caso tenemos piezas diferentes, por lo que necesitamos cierta flexibilidad, pero trabajamos con lotes medianos. En este caso podría ser suficiente con centros de mecanizado autónomos.

-

Fabricación de varias piezas distintas, tamaño de lotes pequeño y los modelos varían constantemente en este caso si se requiere de la flexibilidad que aporta un Sistema de Fabricación Flexible.

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TEMA 2

2.2 Gestión de Recursos Materiales. Planificación y Control de la Producción El objetivo principal de una empresa industrial, tanto en el sector de bienes de consumo como en el sector servicios, es producir; y además ser rentable. Para lograr ese objetivo son necesarios una serie de recursos (tecnológicos, financieros y humanos), materia prima, maquinaria, herramientas, energía... Ahora bien, no es lo mismo una empresa que se dedique a productos perecederos o una empresa que trabaje sobre pedido en el sector naval. Una organización industrial de tipo general puede enfrentarse a un mercado con las siguientes características: -

Productos con ciclos de vida corto.

-

Alta variedad de líneas de productos.

-

Los productos deben estar diseñados a la medida de las necesidades del usuario.

-

Alta exigencia de calidad y fiabilidad.

-

Incorporación de tecnología punta.

-

Amplio abanico de clientes.

-

Clientes exigentes.

-

Universalidad de mercados (se puede distribuir en todo el mundo y cualquier fabricante de todo el mundo puede ser competencia).

Esta situación, con clientes exigentes, altos requerimientos de calidad, fuerte competencia… se puede volver en contra de la organización industrial si no está al máximo nivel, o ser un punto a su favor si la organización trabaja de forma óptima al máximo nivel. En la Figura 7 se presenta un esquema de la organización global de una empresa industrial. La representación gráfica de la organización de una empresa se puede realizar mediante un organigrama. Se observa como el flujo de materias primas, hasta obtener el producto final, representa una pequeña parte de la estructura global de la empresa. Para que dicho flujo de material sea posible es necesaria la estrecha colaboración del resto de la organización (desde el diseño y concepción del producto hasta su obtención). Al departamento de marketing y al departamento comercial (pedidos) entraría la información del exterior (estudios de mercado y necesidades de los clientes). También se debería tener en cuenta toda la información adquirida por el departamento de post-venta, que no aparece en el esquema. Hoy en día, la opinión del consumidor final es muy importante, se debe prestar especial atención a todo lo relacionado con el servicio de post-venta (mantenimiento, averías, asesoramiento…). Toda la información recabada se estudia en el departamento de planificación estratégica, quien se encarga de establecer el plan general de la empresa. Este departamento dirige o plantea sus decisiones al departamento de diseño, ventas, planificación de los recursos y planificación de la producción; también debe encargarse de coordinar dichos departamentos. El departamento de calidad es el encargado de asegurarse que se cumplen todas las normativas aplicables en el diseño de los productos y en la planificación de la producción. También es el encargado de realizar todos los controles de calidad pertinentes, tanto durante la producción como de los productos finales (mejor prevenir posibles errores que tener que subsanar errores en el producto final). También es importante el mantenimiento de todas las instalaciones, máquinas y equipos. Estos deberán estar en condiciones adecuadas para la actividad a la que estén encomendados. Se puede hacer un mantenimiento preventivo (para evitar fallos previsibles) o correctivo (para corregir en el menor tiempo posible los fallos y averías imprevistas). A.L.M .

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TEMA 2

DIRECCIÓN ESTRATÉGICA

recopilada

Marketing

Planificación estratégica

Productos

Diseños

Planos

Normas

Necesidades

Información

Previsiones

Lista de componentes

Procedimientos

Compras

Gestión de recursos, compras y subcontratación Subcontratación

Producci ón y montaje Recursos

Pedidos Útiles

Distribución

Productos Terminados

Almacén

Control de Calidad

Planificación de la producci ón

Ventas

GESTIÓN DE CALIDAD

Pedidos

Inventario

Utillaje y Materias Primas

Figura 7. Esquema organizativo de una empresa industrial. (Fuente [2]) En el departamento o área de diseño se realiza el diseño de todos los productos. Es importante que este departamento tenga en cuenta, desde la concepción de los productos, cuál será el sistema de producción. Los ingenieros responsables del diseño de los productos deben diseñar teniendo en cuenta cómo se van a fabricar los productos. Es muy importante que haya flujo de información entre el departamento de marketing (qué queremos), el departamento de diseño (cómo lo queremos) y el departamento de producción (cómo lo fabricamos) [INGENIERÍA CONCURRENTE]. La producción de los productos se realiza en la planta de producción, conforme a las especificaciones de diseño y siguiendo las indicaciones o exigencias del departamento de calidad. El objetivo final de la empresa es equilibrar sus recursos (posibilidades de fabricación y distribución) con el mercado disponible. Puede darse la situación de tener más recursos de los

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TEMA 2

necesarios (sobredimensionada, no rentable) o no tener recursos suficientes (siendo necesaria la subcontratación), ambas situaciones no son deseables. Se trata de obtener los productos que demanda el mercado, con la calidad exigida y al más bajo coste posible (siempre dentro de las posibilidades de la empresa). *Nota: Este esquema puede resultar bastante simple en comparación con lo que podáis encontrar en vuestra vida profesional.

Otros Departamentos que se pueden considerar En este apartado comentaremos un poco los pasos a seguir desde que aparece la necesidad de fabricar un nuevo producto en una empresa hasta que se define todo el proceso de fabricación: -

Oficina de Proyectos: ante un nuevo proyecto, se debe estudiar las especificaciones y necesidades del cliente y buscar toda la información necesaria. Se deben plantear diferentes alternativas y elegir la más adecuada. Definir el producto, elaborar los planos de definición y realizar los cálculos necesarios para asegurar que se cumplen todas especificaciones. Diseñar todas las piezas y componentes del conjunto (Lista de Materiales). Todo ello cumpliendo con las normas pertinentes y utilizando herramientas de diseño (CAD/CAM ).

-

Ingeniería de Producción: es el departamento que recibe los planos de todas las piezas del producto en cuestión diseñado en la oficina de proyectos. Se plantean diferentes alternativas en cuanto a procesos de fabricación y se selecciona la más adecuada (según especificaciones, número de piezas, plazos de entrega, calidades…). Se deben plantear modificaciones del producto para una optimizar la fabricación. Definición del proceso de fabricación (paso a paso). Definición de utillajes y herramientas. Cálculo de tiempos de fabricación…

-

Ingeniería de Producto: el trabajo se materializa en una Hoja de Proceso: o Trabajos a realizar: fases, subfases y operaciones.

Fase: conjunto de transformaciones tecnológicamente afines que se llevan a cabo sobre el producto en la misma máquina, instalación, equipo o puesto de trabajo.

Subfase: paso intermedio entre las fases y las operaciones. Conjunto de operaciones relacionadas entre sí por alguna característica común. Generalmente actúan sobre el producto sin que varíe la colocación y sujeción de este sobre la máquina o puesto de trabajo.

Operación: cada una de las tareas elementales que se pueden llevar a cabo en una máquina o puesto de trabajo (uso de otra herramienta, cambio en el movimiento de la máquina).

o M áquinas, herramientas y útiles necesarios. o Tiempos que se han de emplear (preparación, maniobra, operación). o Cálculo de tiempos (tablas de tiempos normalizados, en función de las variables de cada proceso). o Los tiempos repercuten en la programación y planificación de la producción (lanzamientos del producto; comienzo de fabricación de una pieza determinada) y administración o contabilidad (presupuesto a clientes; pago de primas a los operarios). A.L.M .

Diseño de Utillaje: elementos auxiliares utilizados en los procesos de fabricación. 56


TEMA 2

-

Programación: programas de control de la maquinaria, CNC u otros.

-

Taller de Prototipos: suele depender del departamento de producción o de proyectos. Se fabrican prototipos de nuevos diseños para que puedan optimizarse en la fase de desarrollo. Se analizan nuevos procesos de fabricación. Se fabrican piezas con diferentes procesos de fabricación para determinar el más adecuado. Se prueban nuevas herramientas…

-

Taller: el responsable es el jefe de taller. Puede haber distintas secciones a cargo de los jefes de sección o jefes de línea.

-

Almacén de herramientas: Se guardan y gestionan las herramientas normalizadas [herramientas consumibles (plaquita de torno) o no consumibles (destornillador)].

Productividad Se define productividad como la relación entre los ingresos obtenidos y las inversiones realizadas:

productivi dad =

Ingresos obtenidos Inversione s realizadas

(1)

Los ingresos obtenidos pueden ser relativamente sencillos de calcular cuando el objetivo es producir un producto, aunque hasta que no se venda dicho producto no se ha alcanzado realmente el objetivo. Las inversiones realizadas pueden resultar un poco más complicadas de determinar, en general podemos incluir: -

M ano de obra directa.

-

M ano de obra indirecta.

-

Amortización de máquinas y equipos.

-

Inventarios.

-

Compras.

-

Pérdidas

-

…

Además, siempre se deben considerar los impuestos. El objetivo principal es conseguir una alta productividad (>>1). Cuando la productividad es igual a 1 se dice que entramos en fase de letargo, ya que la empresa tendrá poca capacidad de reaccionar ante cualquier cambio.

Tabla 2. Factores que pueden afectar a la productividad. (Fuente [2])

Fuerza del trabajo

Remuneraciones Políticas de motivación Capacitación Selección del personal Estructura jerárquica Diseño del puesto de trabajo Mandos intermedios Fuerzas sindicales Gestión de la calidad

Producto

Investigación y desarrollo Diversidad y alternativas Análisis del valor

Mercado

Demanda de los clientes Publicidad

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Proceso

Recursos Competencia Legislación

Diseño del proceso Automatización Flujo de materiales Distribución en planta Máquinas y equipos Control de calidad Mejora de la calidad Compras Inventarios en almacén Útiles de producción Gestión de la capacidad Imagen de la marca

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TEMA 2

Planificación y Control de la Producción La planificación de la producción depende de los pedidos ya confirmados y las previsiones de ventas futuras. Las previsiones se obtienen de datos históricos del mercado en años anteriores, previsiones de lanzamientos de nuevos productos y otros datos. Se debe realizar un plan de producción a medio-largo plazo acorde con la capacidad real de producción de la planta que satisfaga la demanda de mercado. Es importante evitar periodos en los que la demanda de trabajo de las máquinas sea excesiva o periodos de paro total. Con todos los datos que se puedan recabar se debe realizar el denominado Plan Maestro de Producción donde se especifiquen: -

Producto o productos a fabricar.

-

Cantidad.

-

Fecha o plazo.

Para cada producto (y sus componentes) que se necesite comprar se debe conocer la referencia de los proveedores y los plazos de entrega. Para cada producto (y sus componentes) que se necesite fabricar se debe conocer una estimación del tiempo necesario para obtener 1 unidad. Determinada la cantidad de producto a obtener en unas fechas determinadas (plan de producción), se obtienen los denominados diagramas de tiempos en el que se establecen las fechas en las que se debe ejecutar una orden de compra o una orden de fabricación. Así se obtiene: -

Listado de órdenes de compra: generan automáticamente los pedidos.

-

Listado de órdenes de trabajo: podemos hablas de hojas de ruta y bonos de trabajo:

o Hojas de ruta: documento que acompaña a las materias primas desde el almacén general. En este documento se indica el recorrido que debe seguir dicha materia prima. o Bonos de trabajo: o procedimientos operativos, documento que recoge la información que debe conocer el operario del puesto de trabajo al que llegue la materia prima (o pieza), indicando las operaciones a realizar (Ej. Un programa de control numérico para un centro de mecanizado para una pieza determinada). Principales funciones del Plan Maestro de Producción: -

Determinar el momento de empezar un trabajo, las máquinas que se utilizarán y la fecha de finalización prevista.

-

Asegurarse de que están preparados, para el comienzo del trabajo las máquinas, materiales, herramientas, útiles especiales, la documentación.

-

Dar la orden de lanzamiento para que los talleres empiecen los diversos trabajos.

-

Controlar que el trabajo se está realizando según las instrucciones indicadas.

-

Comprobar que se anota sobre la documentación de cada producto (o componente) los datos que se necesiten misma (operario, número de piezas, fecha de realización de cada fase, etc.).

-

Anotar las interrupciones y sus causas, los retrasos, adelantos, fallos para tenerlos en cuenta en futuros lanzamientos.

-

Sugerir la adopción de medidas para contrarrestar los retrasos.

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TEMA 2

Podemos destacar: Planificación: ante un plan de producción ambicioso, con un gran número de proveedores, tipos de productos que se fabrican, capacidad de producción alta… el cálculo del plan maestro de producción requiere del uso de herramientas informáticas denominadas “Aplicaciones de Planificación” [Management Resources Planning (MRP) y Computer Asisted Production Planification (CAPP)]. Existen diferentes métodos de planificación y control de la producción, como la fabricación en función del volumen o los sistemas justo a tiempo.

Lanzamiento: se deben dar las órdenes a los talleres para empezar los trabajos, se utilizan los documentos “Hoja de Ruta” y “Bonos de Trabajo”. Control de Producción: control del trabajo según lo establecido en la planificación. Importante el control del almacén de utillajes, de herramientas especiales y de piezas de trabajo en curso (piezas aún no terminadas que por logística se deben retirar).

Management Resources Planning (MRP) La Planificación de Necesidades de Materiales o Planificación de Requerimiento de Materiales (M RP) son sistemas basados en el uso de la informática para el manejo de inventarios y la planificación del calendario de entrega (o llegada) de materia prima y herramientas (También es conocido como Control de Inventario). El objetivo principal de estos sistemas es controlar el proceso de producción en empresas cuya actividad se desarrolla en un entorno de fabricación. La producción en este entorno supone un proceso complejo, con múltiples etapas intermedias, en las que se transforman los materiales empleados, se realizan montajes de componentes para obtener unidades de nivel superior, que a su vez pueden ser componentes de otras unidades, hasta la terminación del producto final, listo para ser entregado a los clientes. La complejidad de este proceso es variable, dependiendo del tipo de producto que se fabrique. Este sistema de planificación, aunque su metodología sea común para cualquier caso, su implantación en una industria concreta depende de sus particularices. En general se persiguen los siguientes objetivos: -

Controlar y coordinar los materiales para que se pueda disponer de ellos donde y cuando se necesitan. Responde a las preguntas: ¿Qué? ¿Cuánto? ¿Cuándo? (material se debe disponer).

-

Producción eficiente (ajustar inventarios, capacidad, mano de obra, costes de producción, plazos de fabricación y cargas de trabajo en todas las áreas implicadas).

-

Evitar excesos innecesarios.

-

Promover la flexibilidad (para poder adaptarse a los posibles cambios en el proceso productivo debido a cambios en el mercado).

Antes del desarrollo de estos sistemas (debido a la gran cantidad de datos que había que manejar y a la complejidad de los procesos) las empresas utilizaban almacenes o stocks de seguridad (con la M RP se reduce la necesidad de stocks), lo que incrementaba el coste de producción. El desarrollo de los ordenadores permitió la implantación de la M RP. Este método requiere de la existencia de registros de inventarios de materiales, suministros, partes en las distintas etapas de la producción (conocido como Trabajo en Proceso o WIP), órdenes, compras y programación o planificación.

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TEMA 2

Tabla 3. Comparativa entre las técnicas clásicas de planificación y la MRP. Técnicas clásicas

MRP Dependiente o predeterminada

Independiente (no depende de la

(se genera a partir de las decisiones de la empresa, si por ejemplo se estima una demanda de mercado de 100 productos, la empresa puede decidir fabri car 120)

Tipo de demanda

empresa, depend e del mercado, de los clientes)

Determinación de la demanda

Herramientas estadísticas en base a datos históricos.

Tipo de artículos

Se consideran los productos acabados y piezas de repuesto.

Base de los pedidos S tocks de seguridad Objetivos directos

Se basa en la reposición Necesarios para compensar las fluctuaciones en la demanda. Satisfacer la demanda del cliente.

En base al Plan M aestro de Producción. Se consideran todas las partes y componentes de los productos. Se basa en las necesidades Tienden a desaparecer. Satisfacer las necesidades de producción.

En el MRP son necesarios diversos archivos y datos: -

El Plan Maestro de Producción (en el que se establece las fechas y cantidades en las que tienen que estar disponibles todos los materiales).

-

Listas de Materiales (BOM ).

-

Estado del inventario.

En base a toda la información recogida en los documentos anteriores, se obtiene: -

El plan de producción de cada una de las piezas que deben ser fabricadas (cantidades y fechas de las órdenes de fabricación). Se calcula la carga de trabajo de cada una de las áreas de la planta y se establece el programa de fabricación más adecuado.

-

El plan de aprovisionamiento de material (fechas y tamaños de los pedidos a proveedores).

-

El informe de excepciones (órdenes de fabricación que van retrasadas y sus posibles repercusiones sobre el plan de producción y sobre las fechas de entrega de los pedidos a los clientes). Esto permite: renegociar con los clientes, lanzar órdenes de fabricación urgentes, adquisición a otras empresas, pagar horas extras o cualquier otra medida que el responsable considere oportunas.

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Pedidos fijos de clientes

Plan de productos

Pronósti co de demanda de clientes aleatorios

Cambios en el diseño Departamento de Diseño o Ingeniería

Departamento de Marketing

Plan Maestro de Producción

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Lista de Materiales

Estado del inventario (stock)

MRP Plan de Producción

Plan de aprovisionamiento (necesidades)

Previsión de inventario (stock)

Informe de excepciones

Figura 8. Diagrama MRP. La Planificación de Recursos de Fabricación (M RP-II) controla todos los aspectos de la planificación de la fabricación mediante retroalimentación. Se consigue coordinar conjuntamente las actividades de las distintas áreas de la empresa, la mejor forma de conseguir beneficios sustanciales en la aplicación del M RP. Son sistemas complejos que permiten: (i) Planificar la producción hasta la obtención del producto final; (ii) Supervisar los resultados en tiempo real; (iii) Comparación de los resultados obtenidos con los planificados. La Planificación de Recursos de Empresas (ERP) se implantó a principios de la década de 1990. Se puede considerar como una ampliación de la M RP-II en la que se incluyen todos los recursos necesarios para el funcionamiento de una empresa con el objetivo de planificar órdenes de productos, fabricación, envíos a los clientes, servicio postventa… La ERP intenta coordinar, optimizar e integrar de forma dinámica toda la información, actividades técnicas y actividades financieras que pueda haber en una gran industria. La implantación de la ERP es bastante compleja: -

Es necesario una comunicación adecuada (efectiva, fiable) entre todos los departamentos. El equipo de trabajo es fundamental.

-

El marcado cambia continuamente (necesidades de los clientes, evolución del negocio, comercio electrónico).

-

Requiere de equipos muy potentes (software y hardware) – Infraestructura.

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TEMA 2

Computer Asisted Production Planification (CAPP) La Planificación de Procesos Asistida por Ordenador (CAPP) es un sistema experto que analiza las capacidades de un sistema de fabricación específico con el objetivo de crear un plan para la fabricación de una pieza previamente diseñada (en CAD). En este plan se especifica: -

La maquinaria necesaria.

-

La secuencia de producción.

-

Las herramientas necesarias.

-

Los parámetros de las operaciones (velocidades de corte, avance…).

La planificación CAPP permite optimizar los procesos y disminuir el coste, sobretodo cuando se planifica la producción de más de un diseño.

Distribución en Planta Una mala distribución en planta de toda la maquinaria y equipos implicados en el proceso productivo puede repercutir negativamente en el coste final del producto. En general las tareas de cualquier sistema de producción o fabricación se clasifican en: -

Tareas productivas: fabricación, montaje o control de calidad.

-

Tareas no productivas: manipulación (transporte de un puesto de trabajo a otro)-

Las tareas productivas deben ser analizadas con el objetivo de reducir costes. Las tareas no productivas deben ser analizadas con el objetivo de minimizarlas. Anécdota: a principios del siglo XX se crea la primera planta de montaje donde se construían vehículos a partir de piezas estandarizadas fabricadas en otra factoría. El vehículo permanecía en un lugar fijo y los operarios iban y venían con los componentes (Ejemplo, fabricación del Ford T desde 1903). Con el coche fijo y los operarios moviéndose, excesivo gasto de tiempo. Henry Ford (1913) prueba en su fábrica de Detroit un nuevo sistema: línea de fabricación de coches en cadena. El chasis del coche se monta sobre una cadena de eslabones que se mueve a lo largo de la nave industrial, son los operarios quienes permanecen fijos en sus estaciones de trabajo (cada estación de trabajo se encarga de una tarea diferente). Se ahorra en el tiempo de montaje un 85%. En este caso se aplicó la teoría de Taylor que decía que cada trabajador debía realizar el trabajo más adecuado para él. Se han desarrollado sistemas de análisis de métodos y tiempos para el análisis de procesos, subprocesos y movimientos, consiguiendo el equilibrado de la línea de producción (eliminando cuellos de botella y con todas las tareas sincronizadas de principio a fin). En general, podemos hablar de dos sistemas básicos de distribución en planta: -

Distribución lineal: planta abierta, posibilidad de entrada de materiales y componentes por diferentes puntos. La salida de los productos finales está claramente diferenciada de la entrada de materias primas. Al tener varios puntos de entrada de materiales las operaciones de control pueden ser algo más complejas.

-

Distribución en U: la salida del producto final se realiza por el mismo punto que la entrada de materias primas. Es poco operativo introducir componentes y utillaje a lo largo de la línea.

Estas dos opciones son viables cuando el producto que se fabrica tiene que pasar por todas las unidades productivas. Esta situación no es lo normal. Una empresa de mediana complejidad suele

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TEMA 2

tener un abanico de productos, que no necesariamente deben pasar por todas las unidades productivas. Ante esta situación, se puede: -

Clasificar las unidades de producción por máquinas afines: todas las máquinas similares se agrupan formando islas productivas (isla de mecanizado, isla de pintura…).

-

Clasificar las unidades de producción por producto obtenido: cada unidad o isla puede ser independiente, formando pequeñas unidades productivas íntegras.

Cálculo de Costes (ver Anexo al Tema 2) 2.3 Introducción a la Gestión de la Información El área de fabricación de una empresa productiva recibe gran cantidad de información necesaria (del área de diseño, del área de planificación…). Tradicionalmente esta información se transmitía por escrito o de viva voz, cuando los procesos eran relativamente sencillos y se basaban en la experiencia de los operarios. Actualmente, esto sería imposible de llevarlo a cabo sin la ayuda de los ordenadores: -

El volumen de información que se maneja es muy elevado.

-

Se debe garantizar la correcta transmisión de la información.

-

Generalmente los datos se generan mediante sistemas computerizados.

-

Los equipos de fabricación (máquinas-herramienta…) se controlan por ordenador.

-

Es necesaria una retroalimentación de la información para una correcta planificación.

-

Gran parte de la información es compartida por distintas áreas o departamentos.

Aunque hoy en día el departamento o área de diseño trabaja con ordenadores, todavía es común que las órdenes de trabajo se impriman en papel y así lleguen a los operarios a pie de máquina. Poco a poco se va evolucionando y se plantean diferentes alternativas: -

Sistemas centralizados: un potente ordenador central soporta toda la información.

-

Sistemas distribuidos: cada área o departamento es responsable de los datos que genera y de transmitirlos a otras áreas (bases de datos compartidas).

Ya hemos comentado anteriormente que existe un documento muy importante denominado Lista de materiales, suele consistir en una base de datos en la que se recogen: -

Todos los productos a fabricar.

-

Todos los componentes de cada producto (en estructura jerárquica):

o Componente: elemento comprado que no puede desmontarse en otros elementos. o Producto: conjunto de componentes que sale al mercado y puede ser adquirido por el cliente (bien de consumo directo, de mantenimiento o repuesto). o Subconjunto: elemento que puede ser desmontado en componentes y que a su vez forma parte de otro elemento de orden superior (otro subconjunto o el producto final).

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TEMA 2

Se puede establecer una relación directa entre esta estructura jerárquica y los procesos productivos, ya que un subconjunto será el resultado de una serie de operaciones realizadas sobre sus componentes. Y, a ese subconjunto se le aplicarán otra serie de operaciones para obtener otro subconjunto de orden superior o el producto final.

Aspecto clave: ¿qué codificación se utiliza para denominar a cada componente de forma inequívoca? Se recomienda ayudarse de la tecnología de grupos, agrupar los componentes, subconjuntos y productos en familias de piezas con alguna característica común y asignar la codificación de los elementos de acuerdo con esta estructura de familias. Con esto se consigue una cierta lógica en la codificación, lo que ayuda a los operarios a no confundirse. Una buena base de datos de la Lista de materiales es fundamental para la gestión de la producción en cualquier organización industrial. Cada producto tiene una estructura en forma de árbol con todos sus componentes, de forma que si se actualiza algún componente en la base de datos se actualiza automáticamente todo el conjunto. En este árbol se recogen todos los componentes y subconjuntos (el número de cada uno de ellos que conforman el producto final, el coste unitario de cada componente, la operación que los relaciona…). Así, si por ejemplo el departamento de diseño modifica algún componente (con distinto coste, con menor número, con otra operación necesaria) se actualiza la base de datos y este cambio repercute de forma automática en el producto final (coste y procesos de fabricación). En cuanto al coste, para cada componente tenemos: -

Coste del componente.

-

Coste de operación (el coste de la operación que hay que realizar sobre dicho componente, incluye las horas de trabajo con maquinaria, mano de obra…). Una alternativa a este coste, es incluir en la base de datos la operación de producción como un componente más.

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Figura 9. Ejemplo de la estructura jerárquica de la Lista de Materiales para un teléfono móvil. A.L.M .

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TEMA 2

ANEXO I – Cálculo de Costes En cualquier empresa siempre se necesita dar un presupuesto al cliente antes de realizar el trabajo. Se pueden plantear dos situaciones: -

Presupuesto excesivo el cliente no acepte el presupuesto.

-

Presupuesto bajo pérdida de dinero.

Ante esta situación resulta imprescindible realizar un cálculo correcto del coste de fabricación de los productos. En algunos casos se realiza un cálculo directo (analizando el coste de todos los materiales, mano de obra, energía, uso de maquinaria…) lento y complicado. En otros casos se realiza un cálculo comparativo (en función de trabajos previos realizados cuyo coste es conocido). A continuación se va a explicar un método básico para determinar el presupuesto de un producto fabricado. Empezaremos suponiendo que conocemos el Coste de Total CT de nuestro producto, en ese caso la empresa deberá establecer que porcentaje de Beneficio B [%] desea obtener de la venta de ese producto. De este modo podemos obtener el Presupuesto Final P como:

B   P = 1 +  ⋅ CT  100 

(2)

Veamos como determinar el Coste Total CT, éste podemos descomponerlo en:

CT = Cf + Cg

(3)

donde, Cf representa los Costes Directos o de Fabricación y Cg representa los Costes Indirectos o Generales. Los costes indirectos o generales (alquileres, mano de obra indirecta, consumo de energía, otros…) suelen determinarse como: (i) un porcentaje de los costes directo Cf; (ii) como un coeficiente que multiplica al coste de cada puesto de trabajo y pasa a formar parte del coste directo igualmente. Los Costes Directos Cf se pueden descomponer en:

C f = C m + C o + C A + C u + Ch

(4)

donde: -

Coste de M ateria Prima Cm.

-

Coste de M ano de Obra Directa Co.

-

Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA (puede aplicarse sobre los costes indirectos o generales, pero es más preciso calcularlo sobre cada tipo de máquina y equipo).

-

Coste de Útiles especiales Cu.

-

Coste de Herramientas Ch.

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TEMA 2

Coste de Materia Prima Cm Se deben considerar todas las materias primas y componentes utilizados para la fabricación del -1 3 2 producto. Suponiendo que conocemos el precio unitario p [€ kg , € m , € m …] de cada material -1 utilizado, el Coste de M ateria Prima [€ ud ] podemos determinarlo como: m

C m = ∑ Qi ⋅ p i

(5)

i=1

-1

3

-1

2

-1

siendo, Q la cantidad de material por unidad fabricada [kg ud , m ud , m ud …], m el número total de materiales utilizados para la fabricación del producto. En el coste de la materia prima debe incluirse el coste del transporte, del almacenamiento, aranceles, porcentaje de material defectuoso… Si con el desperdicio o sobrante del material utilizado se obtiene algún tipo de rendimiento (venta a terceros, reutilización para otros productos) debe descontarse del coste de matera prima.

Coste de Mano de Obra Directa Co Se considera el gasto de la empresa correspondiente a la mano de obra directa implicada en la fabricación del producto. Se puede determinar como: m

C o = ∑ t op i ⋅ Si

(6)

i= 1

siendo, m el número de operarios implicados, top las horas empleadas por cada operario [h] y S el -1 precio de la hora de trabajo de cada operario [€ h ]. El precio de la hora de trabajo de cada operario puede determinarse como:

S=

SalarioBru toAnual [€ año −1 ] HorasTraba joAnual [h año −1 ]

(7)

En este precio por hora suelen incluirse las cargas sociales (ayudas de acción social), vacaciones… La retribución de los operarios por antigüedad o cargos suele incluirse en los costes indirectos.

Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA Aquí se considera el coste anual, mensual u horario de cada máquina implicada en el proceso. Este coste debe tenerse en cuenta para afrontar la inversión realizada en la adquisición de la máquina y amortizarlo en un tiempo determinado (vida útil de la máquina). Este coste puede determinarse como:

C ⋅ (1 + i ) C A = maq × ht n ⋅ h ⋅η n

(8)

siendo, Cmaq la inversión realizada en la compra de la máquina, el precio de la máquina, i el interés del préstamo bancario (en tanto por 1) en el caso de que la máquina se haya adquirido mediante un préstamo bancario o el coste de oportunidad del dinero (en tanto por 1) en el caso de haberla adquirido con fondos propios, n es el número de años de amortización o de vida útil de la máquina, h es el número de horas al año que trabaja la máquina (en todos los procesos que exista en la empresa) y η es el rendimiento de la máquina o índice de ocupación de la máquina (generalmente entre 0.7 y 0.8). Por último, h t es el número de horas que trabaja la máquina para la pieza o producto cuyo coste se esté determinando.

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TEMA 2

Coste de Útiles especiales Cu. En el caso de que sea necesario utilizar algún útil especial para la fabricación de la pieza, debemos repartir el coste de ese útil por el número total de piezas que se fabriquen con él. Este tipo de útiles especiales suelen diseñarse y fabricarse en la propia empresa (por lo que el coste de ese útil se debe calcular previamente). Suponiendo que conocemos o que ya hemos determinado el coste de todos los útiles diferentes -1 necesarios U [€ útil ], el Coste de Útiles Cu se puede determinar como: m

Cu = ∑ i= 1

Ui np

(9)

i

siendo, m el número de útiles especiales diferentes que se deben utilizar para fabricar la pieza, U el coste de cada útil [€] y np el número de piezas que se pueden fabricar con cada útil.

Coste de Herramientas Ch. En este concepto se incluyen aquellas herramientas consumibles (fungible, como por ejemplo las plaquitas de corte de una herramienta de torno), no se consideran aquellas herramientas no consumibles (Ej. unas mordazas). El Coste de Herramientas Ch se calcula como: m

C h = ∑ p hi i= 1

t hi V ui

(10)

siendo, m el número total de herramientas diferentes utilizadas para la fabricación de la pieza, ph el -1 precio de compra de cada herramienta [€ herramienta ], th el tiempo de uso de cada herramienta para la fabricación de 1 pieza [h] y Vu la vida útil de cada herramienta [h].

Otra agrupación de los Costes Directos o de Fabricación Cf: Se puede considerar que los Costes Directos o de Fabricación están compuestos por:

C f = C fijos + C operativos + C h

(11)

Costes Fijos del Proceso Cfijos: se consideran la materia prima y el uso de útiles especiales. C fijos = Cm + C u

(12)

Costes Operativos del Proceso Coperativos: se consideran la mano de obra directa y la amortización de la maquinaria (los costes del uso de cada puesto de trabajo). C operativos = Co + C A

(13)

Costes de herramientas Ch: que varían con el tiempo de fabricación.

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TEMA 2

Tiempo de fabricación: a la hora de determinar el tiempo de fabricación de cada pieza se pueden considerar los siguientes tiempos: -

tp, tiempo de preparación: es el tiempo que se emplea en preparar todo el proceso productivo, incluye aquellas operaciones previas al propio proceso de fabricación. Por ejemplo: el tiempo que se emplea en preparar las herramientas y el utillaje, el tiempo necesario para programar las máquinas y equipos que lo necesiten, las pruebas y puesta a punto del proceso….

-

tm, tiempo de maniobra: aquí se incluyen todas aquellas operaciones que no se consideran productivas, como por ejemplo el movimiento en vacío de las herramientas, el tiempo que se pueda emplear en cambiar las herramientas de la máquina (por ejemplo el cambio de herramienta en un torno), el tiempo necesario para cambiar de pieza…

-

tt, tiempo de transformación: el tiempo que se emplea en las operaciones propias de la fabricación (por ejemplo, el tiempo de corte en un torno).

Así, el tiempo total de fabricación se calcula como:

t f = t p + tm + tt

(14)

A veces se pueden considerar el tiempo de preparación y el tiempo de maniobra despreciables frente al tiempo de transformación. Por ejemplo, el cambio de herramienta en un torno CNC, con revólver porta-herramientas con cambio automático de herramientas, puede ser inferior a 1 segundo; por el contrario, si trabajamos con un torno con cambio de herramienta manual, la duración del cambio de herramienta puede suponer una proporción bastante importante del tiempo total de fabricación.

Determinación del coste mínimo a costa de reducir el tiempo de fabricación: si para reducir los Costes Directos o de Fabricación se varían los parámetros del proceso (principalmente aumentando la velocidad) para disminuir el tiempo de fabricación, se repercute principalmente en: -

Aumenta la velocidad de trabajo disminuye la vida útil de la herramienta.

-

Aumenta el coste de herramientas Ch.

-

Disminuye el coste operativo (mano de obra + amortización).

Se debe buscar la velocidad óptima del proceso que permita el menor coste posible.

Costes Indirectos o Generales: son aquellos que no se pueden asignar de forma directa a la fabricación de una pieza determinada, son costes que repercuten en todos los productos que se fabriquen: -

M ano de obra indirecta (administrativos, dirección, oficina técnica, encargados…).

-

Alquiler o préstamo del local o locales.

-

Energía: consumo eléctrico, gas, agua…

-

Impuestos, contribuciones, seguros.

-

M ateriales indirectos (material de oficina, lubricantes de máquinas, productos químicos…).

-

Gastos de mantenimiento. Gastos de dirección. Gastos comerciales (publicidad, promociones…). Otros gastos.

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TEMA 3

TEMA 3: PROCESOS DE ARRANQUE DE VIRUTA

3

3.1 Introducción a los procesos de arranque de viruta. Clasificación El mecanizado o conformado por arranque de viruta es un procedimiento que permite modificar formas, dimensiones y/o el grado de acabado superficial de piezas obtenidas con otros procesos de fabricación (fundición, conformado por deformación plástica…). Esta transformación o modificación se realiza arrancando capas de metal (o creces de mecanizado) que se transforman en viruta. El mecanizado no se debe entender como una solución única para obtener una determinada geometría, debido al elevado coste que supone el arranque excesivo de material. El mecanizado debe combinarse con otros procesos de fabricación ( debe considerarse como operaciones secundarias y de acabado). Algunos casos en los que pueda ser necesario el mecanizado: -

Necesidad de superficies lisas y brillantes en piezas fabricadas mediante forjado.

-

Orificios de diámetros pequeños.

-

Piezas con geometrías agudas, tolerancias ajustadas.

-

Orificios roscados en diferentes superficies de una misma pieza.

-

Acabado superficial y texturas especiales para determinadas funcionalidades o por necesidades de tener una apariencia determinada.

-

… Forjado

Electropulido

Mecanizado

Pulido

Grabado

Figura 1. Etapas de fabricación de una prótesis de cadera mediante forjado. (Fuente [1]) Otro aspecto importante a tener en cuenta es que las propiedades mecánicas que se consiguen mediante mecanizado son muy inferiores a las que se consiguen con la deformación plástica. La orientación de los granos según la geometría externa que se consigue con el conformado por deformación plástica no se obtiene mediante mecanizado.

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TEMA 3

Las operaciones de mecanizado suponen cerca del 90% de las máquinas de fabricación (dato aproximado).

Rosca obtenida por mecanizado

Rosca obtenida por laminación

Figura 2. Flujo de los granos en una rosca mecanizada u obtenida por laminación. (Fuente [1]) Algunos inconvenientes generales del mecanizado: -

Desperdicio de material.

-

Por lo general requiere más tiempo que otros procesos de fabricación (conformado por deformación plástica, moldeado).

-

Requiere más energía que otros procesos de moldeado y formado.

-

Puede tener efectos negativos sobre la calidad de la superficie y las propiedades del producto.

Dentro del mecanizado podemos considerar: -

Operaciones de corte: o Un solo filo de corte (Ej. Cilindrado en torno). o Varios filos de corte (Ej. Fresado). o M últiples filos de corte (Ej. Brochado).

-

Operaciones abrasivas: rectificado y procesos relacionados.

-

Procesos avanzados hidrodinámicos, láser.

de

mecanizado:

métodos

eléctricos,

químicos,

térmicos,

Las máquinas con las que se realizan este tipo de operaciones se denominan máquinasherramienta.

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TEMA 3

Clasificación General de los procesos de mecanizado (Fuente [1]):

PROCESOS MECÁNICOS Corte Torno

Rectificado Cilíndrico

Superficie Revolución

Fresa

Superficie Plana

Rectificado Plano

Cepillado

Cizallado

Aserrado Limadora. Mortajadora o Limadora Vertical

Taladrado

Roscado

Punzonado

Agujeros Brochado Troquelado

Mecanizado Ultrasónico Superficie Plana

Abrasivos Chorro de agua Superficie Plana

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Chorro abrasivo Chorro de agua + abrasivo

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TEMA 3

PROCESOS TÉRMICOS Térmico Superficie plana

Corte por Fusión

Eléctrico

Superficie plana

Haz de electrones – Plasma

Láser

Electroerosión – penetración

Electroerosión por hilo

PROCESOS QUÍMICOS Erosión selectiva Ataque químico Superficie Plana

Grabado ácido

Combustión - Oxidación Oxicorte Superficie Plana

Electro químico Mecanizado electroquímico

Rectificado electroquímico

Superficie Plana

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TEMA 3

Figura 3. Otra clasificación de los procesos de mecanizado.

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TEMA 3

PRINCIPALES MOVIMIENTOS EN MECAN IZADO -

Movimiento de Corte : es el responsable del proceso de eliminación del material. Lo puede realizar la pieza o la herramienta. Este movimiento consume la mayor parte de la potencia necesaria para realizar el trabajo. Aunque en muchas máquinas el movimiento de corte se asocia con el giro de la pieza (torno) o con el giro de la herramienta (fresa), en algunos casos es un movimiento lineal (brochadora, cepillado, limado…).

-

Movimiento de Avance : permite que en la zona de corte haya nuevas partes de la pieza a mecanizar hasta que se completa la operación o la pasada correspondiente. Lo puede realizar la pieza o la herramienta. Pueden existir varios movimientos de avance simultáneos.

-

Movimiento de Penetración: asegura la interferencia entre la pieza y la herramienta, para que pueda existir la eliminación del material, y asegura que la pieza tenga la dimensión adecuada después de cada pasada. Suele ser un movimiento intermitente, se efectúa cuando no se está produciendo el arranque de material, es decir, antes de comenzar una operación elemental de mecanizado.

Herramienta Pieza

Herramienta

Figura 4. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en operaciones de mecanizado en torno. (Fuente [2]) En la figura anterior podemos observar diferentes operaciones de mecanizado en torno. Por ejemplo, en el cilindrado: la pieza de trabajo gira y una herramienta de corte retira una capa de material. La herramienta de corte se ajusta a cierta profundidad de corte [mm] y se desplaza hacia la -1 -1 izquierda a una determinada velocidad de avance [mm rev o mm min ], mientras que la pieza de -1 trabajo gira [rpm o m min ].

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TEMA 3

Pieza o herramienta, depende Pieza o herramienta, depende Herramienta

Figura 5. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en operaciones de mecanizado en fresa. (Fuente [1])

Herramienta de brochado

Avance de corte por diente

Herramienta

Pieza de trabajo

Figura 6. Movimientos de Corte (■) y Avance (■) en brochadora. (Fuente [1])

a)

b)

Figura 7. Movimientos de Corte (■), Avance (■) y Penetración (■) en taladradora (a) y en cepillo (b). (Fuente [2])

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TEMA 3

Figura 8. Movimientos en diferentes operaciones de torno.

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TEMA 3

Figura 9. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (I).

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TEMA 3

Figura 10. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (II).

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TEMA 3

Figura 11. Movimientos en diferentes máquinas-herramienta (III).

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TEMA 3

CONCEPTO DE VIRUTA Se define viruta como el exceso de material eliminado en los procesos de mecanizado. Esta viruta se produce por la continua deformación plástica y cizallamiento que se produce del material a lo largo del plano de corte.

Secuencia general de la formación de la viruta en un proceso de mecanizado: -

El metal de la pieza de trabajo se ve sometido a gran presión y temperatura.

-

Se produce una zona de estancamiento a continuación de la punta del filo.

-

El metal deformado se va uniendo a la cara de la herramienta (película de recubrimiento).

-

La herramienta sigue eliminando material (se puede producir la formación de más de una capa o película de material que se va acumulando en la zona de estancamiento, se está generando el filo de recrecido).

-

Se produce una zona de fluencia alrededor de la zona de estancamiento, continúa el deslizamiento de la viruta sobre la cara de desprendimiento de la herramienta.

- La viruta se mueve a lo largo de la cara de desprendimiento de la herramienta. Propiedades: es siempre de material más duro y frágil que la pieza; puede distinguirse a simple vista la zona de la viruta que ha estado en contacto con la cara de desprendimiento (brillante y pulido) de la zona opuesta (rugosa); el espesor de la viruta es siempre mayor que el espesor teórico de la viruta o espesor de “viruta indeformada”. Al mecanizar materiales frágiles (o materiales dúctiles a bajas velocidades) se obtiene una viruta discontinua (fragmentos de material de corta longitud). La viruta está poco tiempo en contacto con la cara de desprendimiento, la longitud de contacto es baja. Esto permite seleccionar ángulos de desprendimiento muy bajos. Son típicas de: -

M ateriales frágiles.

-

M ateriales con inclusiones duras e impurezas.

-

Velocidades de corte muy bajas o muy altas.

-

Grandes profundidades de corte.

-

Ángulos de ataque pequeños.

-

Escasez de fluido de corte.

-

Poca rigidez en el portaherramientas o en la máquina, lo que genera vibraciones.

a)

b)

c)

d)

Figura 12. Tipos de viruta: continua (a); con filo de recrecido (b); aserrada (c); discontinua (d). (Fuente [1])

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TEMA 3

Entre las virutas discontinuas y continuas nos encontramos con las virutas aserradas o segmentadas o no homogéneas (semicontinuas), suelen producirse en metales con baja conductividad térmica y baja resistencia. Al mecanizar materiales dúctiles con altas velocidades de mecanizado o con ángulos elevados de ataque la viruta formada es continua o plástica. Por tanto, la longitud de contacto con la cara de desprendimiento es elevada, siendo necesario operar con ángulos de desprendimiento elevados para disminuir el rozamiento y desgaste de la herramienta. Con este tipo de viruta suelen obtenerse buenos acabados superficiales, pero no son convenientes en procesos automatizados, ya que pueden bloquear el movimiento de la herramienta, atorarse alrededor de la pieza de trabajo, del portaherramientas, soportes... Este problema puede resolverse con el uso de rompevirutas, modificando los parámetros de corte (avance, profundidad, velocidad de corte) o mediante el uso de fluidos de corte.

Figura 13. Rompevirutas Mitsubishi. En materiales dúctiles, trabajados a velocidades intermedias, puede aparecer el denominado Filo de Recrecido o Aportado (virutas de borde acumulado o recrecido). El material de la pieza se deposita en la punta de la herramienta gradualmente, actuando como prolongación del filo de corte. Parte de este material acumulado se retira por la cara de desprendimiento de la herramienta, pero otra parte puede pasar a la cara mecanizada de la herramienta de trabajo. Se obtiene una viruta menos discontinua, pero con ondulaciones en la cara mecanizada de la pieza de trabajo. Se debe evitar, pues también va a afectar a la vida útil de la herramienta y a las fuerzas de mecanizado. Para reducir la aparición del Filo de Recrecido se puede: -

Aumentar la velocidad de corte.

-

Disminuir la profundidad de corte.

-

Aumentar el ángulo de ataque o desprendimiento.

-

Uso de herramientas bien afiladas.

-

Uso de fluidos de corte adecuados.

-

Uso de herramientas con menos “afinidad química” con el material de la pieza de trabajo.

Si el filo de recrecido es delgado y estable puede considerarse deseable, ya que reduce el desgaste de la herramienta al proteger el filo de corte.

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TEMA 3

Rizo de viruta: se denomina así a la curvatura que desarrollan las virutas conforme van abandonando la superficie de la pieza de trabajo, es habitual en todas las operaciones realizadas tanto en metales como no metales. Algunos factores que afectan a la formación del rizo: -

Distribución de esfuerzos en la zona de cizallamiento.

-

Temperatura.

-

Endurecimiento de la pieza de trabajo durante la operación.

-

Geometría de la herramienta.

-

Uso de fluidos de corte (pueden hacer que las virutas se hagan más rizadas, al reducir el contacto entre la herramienta y la viruta).

-

Profundidad de corte (en general a menor profundidad de corte la viruta se hace más rizada).

Rotura de la viruta: se producir mediante autorotura, se puede romper al hacerla golpear contra la herramienta, al hacerla golpear contra la pieza y usando rompevirutas en la herramienta.

Figura 14. Ejemplos de tipos de viruta, de izquierda a derecha: viruta muy rizada, viruta que golpea la pieza de trabajo y se rompe, viruta continua que se aleja radialmente y viruta que golpea la herramienta. (Fuente [1])

Figura 15. Tipos de viruta en función de la profundidad de corte y la velocidad de avance. (Fuente [2])

La formación y rotura de la viruta es fundamental en procesos con un alto grado de automatización. La formación de la viruta se ve afectada por los siguientes factores: (i) características físicas y químicas del material de la pieza; (ii) parámetros de corte; (iii) ángulo de posición de la herramienta; (iv) radio de la punta del filo de corte; (iv) avance. Utilizando la geometría adecuada de la herramienta se puede conseguir la curvatura, dirección, hélice y forma de la viruta dentro de los requerimientos de cada proceso.

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TEMA 3

3.2 Parámetros y fuerzas de corte. Tiempos y costes de mecanizado PRINCIPALES FACTORES A CONS IDERAR EN UN A OPERACIÓN DE MECAN IZADO En cualquier proceso de mecanizado podemos diferenciar entre variables independientes esenciales en el proceso de corte y variables dependientes; estas últimas se verán afectadas por las primeras.

Variables independientes: material y recubrimiento de la herramienta; forma, acabado superficial y filo de la herramienta; material y condiciones de la pieza de trabajo; avance, velocidad y profundidad de corte; fluidos de corte; tipo de máquina – características; sujeción y soporte de la pieza de trabajo. Variables dependientes: tipo de viruta; fuerza necesaria; energía disipada; temperatura en la pieza, en la herramienta y en la viruta; des gaste o rotura de la herramienta; acabado superficial... Tabla 1. Algunas relaciones entre variables independientes y dependientes. (Fuente [1]) Parámetro Velocidad de cort e; profundid ad de corte, avance, fluidos de corte Ángulos de la herramienta Viruta continua Viruta con recrecido (Filo de recrecido ) Viruta discontinua Elevada temperatura Desgaste de la herramienta Maquinabilidad

Influencia Fuerza, potencia, temperatura, vida útil herramienta, tipo de viruta, acabado superficial. Idem; dirección flujo viruta; desgaste herramient a; astillado herramienta Buen acabado superficial; fuerzas estables de co rte; poco deseable en máquinas automatizadas (di ficultad expulsión viruta, riesgo de bloqueo de la herramienta). Acab ado superficial defi ciente; si es delgado y estable puede proteger la superfici e de acab ado. Facilidad de expulsión de viruta; fuerzas fluctu antes de corte; puede afectar al acab ado superfici al; vibraciones. Vida útil de la herramienta; precisión dimensional de la pieza; daño térmico en superficies de trab ajo. Acab ado superficial; precisión dimensional; temperatura; fu erza; potencia. Relacionada con la vida útil de la herramienta, acabado superficial; fuerzas; potencia; tipo de viruta.

Cuando el resultado obtenido en una operación de mecanizado no es aceptable, la resolución del problema suele requerir una investigación sistemática; primero hay que analizar que variable independiente hay que cambiar y cómo (“prueba-error”). Por ejemplo, pensad que variable independiente deberíais cambiar si: (i) el acabado superficial no es adecuado; (ii) el des gaste de la herramienta es excesivo; (iii) se genera demasiado calor; (iv) se producen vibraciones. Para resolver la duda planteada, primero se debe analizar la mecánica de la formación de la viruta. Este tema se ha estudiado ampliamente desde la década de 1940, en la actualidad se dispone de complejos modelos y métodos de simulación computerizados que permiten ir variando variables e ir analizando el proceso de mecanizado para su optimización. Este no será nuestro ámbito de estudio; nosotros comenzaremos analizando la situación o modelo simple presentado en la Figura 16, denominado corte ortogonal (bidimensional).

Elección de los parámetros de corte: las condiciones del mecanizado varían en función de diferentes factores y variables. A la hora de seleccionar los parámetros de corte para una operación concreta se recomienda, como primer paso, consultar la información que los fabricantes de las herramientas suministran sobre las condiciones de trabajo que ellos consideran más adecuadas. M uchas de estas recomendaciones vienen recogidas en normas IS O y UNE.

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TEMA 3

PARÁMETROS DEL CORTE ORTOGONAL La herramienta de corte más sencilla es la cuchilla recta, formada por una barra de sección cuadrada, con un extremo afilado en forma de cuña.

Superficie rugosa

Superficie brillante

Viruta Ángulo de desprendimiento o ataque Plano de cizallamiento

Cara de desprendimiento Herramienta Cara de incidencia Ángulo de incidencia

Pieza de trabajo

Ángulo de cizallamiento

to : profundidad de corte o espesor de la viruta indeformada tc : espesor de la viruta deformada

Figura 16. Herramienta Elemental. (Fuente [1]) Cara de desprendimiento: cara sobre la que desliza la viruta separada de la pieza de trabajo. Cara de incidencia: cara de la herramienta que queda enfrentada a la superficie ya mecanizada de la pieza de trabajo. Ángulo de desprendimiento (α): ángulo formado entre la cara de desprendimiento y la normal a la superficie mecanizada. Parámetro muy importante en la formación de la viruta, pues el arranque de la viruta se provoca por la acción combinada del filo de corte y la cara de desprendimiento. La cara de desprendimiento es la que determina la deformación plástica del material, provocando la separación de la viruta. La elección de este ángulo depende del tipo de viruta que se forma: -

Viruta continua (en forma de hélice). Típicas de materiales tenaces (aceros dulces, aluminios, aleaciones ligeras…). Existe mayor rozamiento con la cara de desprendimiento, se produce mayor calor. Para reducir este efecto se suele trabajar con ángulos grandes (10º 40º).

-

Viruta discontinua. Típicas de materiales duros y/o frágiles. Generan menos rozamiento (0º10º)

A mayor ángulo, menor ángulo de la herramienta, por lo que ésta se debilita. Para materiales duros no se puede trabajar con ángulos excesivos de desprendimiento. A veces da buenos resultados trabajar con ángulos negativos.

Ángulo de incidencia (γ): ángulo formado entre la cara de incidencia y la superficie de la pieza mecanizada. Evita el roce del talón de la herramienta con la cara mecanizada. Después del arranque del material, la parte de la pieza liberada de la presión de la herramienta tiende a dilatarse por su propia elasticidad.

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TEMA 3

Si este ángulo fuese nulo, la herramienta rozaría con la superficie de la pieza, provocando el calentamiento de la herramienta y empeorando la calidad superficial. Siempre debe existir un ángulo de incidencia positivo. Debe de ser lo menor posible para no debilitar la herramienta. Una vez que se ha conseguido que la herramienta no contacte con la cara mecanizada, no tiene sentido seguir aumentando este ángulo. Valores habituales: acero rápido entre 6º-14º; metal duro 5-12º.

Ángulo de la herramienta (β): éste ángulo depende de los anteriores, y no debe ser demasiado pequeño para asegurar la integridad de la herramienta:

β = 90º− (α + γ )

(1)

Plano de cizallamiento: por lo general las virutas se producen por cizallamiento a lo largo de una zona, generalmente según un plano bien definido con un ángulo de cizallamiento φ. Algunos materiales (como hierros fundidos a bajas velocidades) no se cizallan a lo largo de un plano bien definido, sino en una zona de cizallamiento, en estas situaciones se pueden producir defectos superficiales. Relación de corte: el espesor de la viruta (tc ) se puede determinar conociendo la profundidad de corte (to) y los ángulos de desprendimiento (α) y de cizallamiento (φ): r=

to senφ = tc cos (φ − α )

(2)

siendo r la relación de corte (o relación de espesor de viruta). El espesor de la viruta siempre es mayor que la profundidad de corte ( espesor sin deformación de la viruta), r será siempre menor que 1. Al recíproco de r se le llama relación o factor de compresión de la viruta; este parámetro expresa en tanto por 1 el ensanchamiento de la viruta respecto a la profundidad de corte fijada. Esta relación de corte es un parámetro muy útil para establecer las condiciones de trabajo en función del tipo de viruta que se quiera obtener, que a su vez depende del tipo de material, tipo de herramienta, máquina… Dado que conocemos la profundidad de corte (es un parámetro que fijamos en la máquinaherramienta), el espesor de la viruta podemos medirlo utilizando un micrómetro, y el ángulo de desprendimiento es también conocido podemos calcular el ángulo de cizallamiento de forma relativamente sencilla para las condiciones en las que estemos trabajando. Aunque en este caso el espesor de la viruta indeformada se ha identificado con la profundidad de corte, dependiendo del tipo de proceso de mecanizado el espesor de la viruta no deformada puede no corresponderse con la profundidad de corte (tipo de herramienta, movimiento relativo de la herramienta y la pieza…). El ángulo de cizallamiento tiene gran importancia en la mecánica de los procesos de mecanizado, pues afecta a la fuerza, potencia, espesor de la viruta y temperatura. Algunos investigadores han demostrado la siguiente expresión, suponiendo que el plano de cizallamiento es un plano de máximo esfuerzo cortante:

φ = 45 º+

α 2

−

β 2

(3)

donde β es el ángulo de fricción y está relacionado con el coeficiente de fricción µ (en la interfaz herramienta-viruta: µ = tan β). Otra fórmula que suele utilizarse es:

φ = 45º+ α − β

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(4)

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TEMA 3

En general, µ en trabajos de mecanizado suele valer entre 0.5-2 (gran fricción entre la viruta y la cara de desprendimiento). Experimentalmente se ha demostrado que µ no es constante a lo largo de toda la cara de desprendimiento, al variar las condiciones (presiones de contacto, temperatura…).

Velocidad en la zona de corte: en la Figura 16 se observa que el espesor de la viruta es mayor que la profundidad de corte, por tanto, la velocidad de la viruta Vs debe ser menor que la velocidad de corte V (conservación de la masa). Si conocemos la velocidad de corte podemos determinar la velocidad de la viruta, este parámetro es importante para conocer o regular la forma en la que se va expulsando la viruta. V ⋅ t o = Vc ⋅ t c

(5)

De las ecuaciones 13 y 14 obtenemos:

Vc = V ⋅

to senφ =V tc cos (φ − α )

(6)

CORTE OBLICUO La mayoría de las operaciones de mecanizado se realizan con herramientas tridimensionales cuyo corte es oblicuo, de manera que los parámetros analizados para el corte ortogonal se complican. Quizás una diferencia muy importante sea la formación de la viruta, mientras que en el corte ortogonal la viruta se desplaza directamente sobre la cara de desprendimiento, en el corte oblicuo la viruta es helicoidal, dependiendo su forma del ángulo de inclinación de la herramienta (i). Vista superior Herramienta Viruta Viruta

i = 0º i = 15º

Pieza de trabajo i = 30º

Figura 17. Esquema de un corte ortogonal. (Fuente [1])

EN LAC E D EL FILO PRINCIPAL Y EL FILO S ECUNDARIO Generalmente las herramientas de corte en mecanizado se caracterizan por tener un filo de corte principal y otro secundario. La unión entre ambos filos de corte puede realizarse mediante el denominado “arco de círculo” o mediante “chaflán del ángulo de unión”. Cuando el enlace se realiza mediante arco de círculo: el arco puede ser tangente a los dos filos de corte o estar desplazado con el objetivo de disminuir la presión ejercida sobre la superficie de trabajo. El radio del arco se determina en función de:

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TEMA 3

-

El material de la cuchilla: cuanto menor sea el radio, mayor será la concentración de temperatura en la punta. Según la resistencia a la temperatura del material menor o mayor deberá ser el radio.

-

El avance por vuelta: el radio suele ser igual a cuatro veces el avance por vuelta.

-

La profundidad de corte: se recomienda el radio sea igual a la cuarta parte de la profundidad.

Figura 18. Ejemplo de la unión mediante arco de círculo (izq.) y mediante chaflán (dcha.) El enlace mediante arco de círculo presente como principal inconveniente que produce una viruta de espesor no uniforme (Fig. 18), adelgazándose la viruta hacia la punta. Si el radio es muy grande se generan vibraciones en la máquina. El enlace mediante chaflán se considera más adecuado: consiste en achaflanar la punta con un ángulo de unos 5º para metal blando y 10º para metal duro. Este chaflán adelgaza la viruta de forma uniforme. Con este sistema lo que realmente se obtiene es una herramienta con tres filos de corte. Se consideran las siguientes ventajas: se requiere menor fuerza de corte al generar una viruta más delgada, no genera vibraciones (o son menores) y, en definitiva, se requiere menos potencia.

FILO DE RECRECIDO Es un problema importante, afecta a las fuerzas de corte, al acabado superficial y a la duración de la herramienta. Para la gran mayoría de los materiales se puede dibujar la curva acabado superficial o “rugosidad vs Velocidad de corte”:

Figura 19. Rugosidad vs velocidad de corte (izq); Efectos del filo de recrecido sobre los parámetros de corte (dcha). Nakayama (1957) estudió las causas de la formación del filo de recrecido y concluyó que está relacionado con la temperatura y la velocidad de corte. El filo de recrecido desaparece cuando se alcanzan temperaturas superiores a las de recristalización del material a mecanizar. Estudios posteriores han mostrado los siguientes fenómenos relacionados con el filo de recrecido: - Aumenta el ángulo de desprendimiento efectivo (γ), el ángulo de cizalladura ( Φ) y el espesor de la viruta indeformada (hi). Provoca recalcado superficie mecanizada. NOTA: la formación del filo de recrecido es periódico, a intervalos de tiempo irregulares se desprende el filo formado iniciándose un nuevo ciclo.

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TEMA 3

FUERZAS Y POTENCIA D E CORTE Conocer las fuerzas y la potencia de corte es fundamental para poder realizar un diseño adecuado de las máquinas-herramienta que permita obtener una precisión dimensional correcta, así como elegir los portaherramientas y los dispositivos de sujeción de la pieza. También es necesario conocer esos dos parámetros para comprobar que la pieza de trabajo sea capaz de soportar las condiciones de trabajo y seleccionar una máquina con la potencia eléctrica adecuada. En un corte ortogonal intervienen: -

Fuerza de corte Fc (en la dirección de la velocidad de corte).

-

Fuerza de empuje Ft (en la dirección perpendicular a la fuerza de corte). Estas dos fuerzas producen la fuerza resultante R. Es importante conocer la fuerza de empuje pues es la que deberá soportar el portaherramientas y demás componentes de fijación de la máquina.

-

Esta fuerza resultante R se puede descomponer en dos fuerzas sobre la cara de desprendimiento de la herramienta: una fuerza de fricción F a lo largo de la interfaz herramienta-viruta y una fuerza normal N perpendicular a esta. Se puede demostrar que:

F = R senβ

y N = R cos β

(7)

siendo β el ángulo de fricción (determinado anteriormente).

Herramienta

Viruta

Viruta

Pieza Pieza

Figura 20. Fuerzas en un corte ortogonal (a). Círculo de fuerzas (b). (Fuente [1]) La fuerza resultante R está equilibrada por una fuerza a lo largo del plano de cizallamiento y se resuelve como la suma de una fuerza de cizallamiento Fs y una fuerza normal Fn. Se puede demostrar que:

Fs = Fc cos φ − Ft senφ

(8)

Fn = Fc senφ + Ft cos φ

(9)

Conociendo el ángulo de cizallamiento y la profundidad de corte se obtiene el área de cizallamiento y por tanto los esfuerzos de cizallamiento y normal a dicho plano. El coeficiente de fricción (µ) se define como:

µ=

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F Ft + Fc tan α = N Fc − Ft tan α

(10)

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TEMA 3

Fuerza de empuje: será la fuerza que soporten los portaherramientas, los dispositivos de sujeción, la máquina-herramienta. Esta se puede calcular como: Ft = R sen(β − α )

(11)

Ft = Fc tan (β − α )

(12)

Si β > α la fuerza de empuje será positiva (hacia abajo, tiende a unir la herramienta con la pieza). Si β < α la fuerza de empuje será negativa (hacia arriba, tiende a separar la herramienta de la pieza).Esto es posible al trabajar con ángulos grandes de desprendimiento, baja fricción entre la viruta y la herramienta, o ambas.

Potencia de corte : se puede calcular como la fuerza de corte por la velocidad de corte. También se pueden obtener la potencia en la zona de cizallamiento (debido a la energía requerida para cizallar el material) y la potencia en la cara de ataque (debida a la fricción entre la viruta y la herramienta). La determinación de las fuerzas y potencias que tienen lugar en los procesos de mecanizado se basa principalmente en la toma de datos experimentales (debido a la multitud de factores que intervienen en el proceso).

Tabla 2. Energía específica en mecanizado de diferentes materiales. (Fuente [1]) Material Aleaciones de aluminio Fundiciones Aleaciones de cobre Aleaciones de magnesio Aleaciones de níquel Aleaciones refractarias Aceros inoxidables Aceros Aleaciones de titanio

-3

W s mm 0.4 – 1 1.1 – 5.4 1.4 – 3.2 0.3 – 0.6 4.8 – 6.7 3–9 2–5 2–9 2–5

Energía específica Hp min pulg-3 0.15 – 0.4 0.4 – 2 0.5 – 1.2 0.1 – 0.2 1.8 – 2.5 1.1 – 3.5 0.8 – 1.9 0.7 – 3.4 0.7 - 2

Energía específica: energía necesaria para remover una unidad de volumen de material. Medida de las fuerzas de corte y de la potencia: transductores de fuerzas, células de carga… montados en el portaherramientas.

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TEMA 3

TEMPERATURA EN PROCES OS DE MEC ANIZADO En los procesos de mecanizado, como el cualquier otro proceso en el que se produce deformación plástica del metal, la energía disipada en la zona de corte se convierte en calor, que eleva la temperatura. Esto tiene algunos efectos no deseados: -

Excesiva temperatura: reduce la resistencia, dureza, rigidez y facilita el desgaste de las herramientas. La herramienta se puede reblandecer (deformándose plásticamente).

-

Puede producir cambios dimensionales en la pieza (dilatación térmica), lo que puede afectar a las dimensiones finales (precisión y tolerancia).

-

Excesiva temperatura: daños térmicos, incluso cambios metalúrgicos en la superficie de la pieza.

Las principales fuentes de calor son: (i) trabajo de cizallamiento; (ii) energía disipada por fricción herramienta-viruta; (iii) calor generado por fricción herramienta-superficie mecanizada. Algunas fórmulas para d eterminar la temperatura en función de p arámetros b ásicos del mecanizado fu eron determinadas exp erimentalmente, se pueden consultar en [1].

En cuanto a la distribución de temperatura en la zona de corte (Fig. 21) obsérvese que la máxima temperatura no se alcanza en el filo de corte, sino que lo hace en la cara de desprendimiento de la herramienta, donde se produce el deslizamiento de la viruta.

Proceso de mecanizado

Roscado con macho Roscado interior en torno Taladrado profundo Mandrinado Escariado Taladrado Fresado Torneado

Dificultad [por elimina ción calor]

Figura 21. Dificultad de diferentes procesos de mecanizado en función de la dificultad de evacuación o eliminación del calor generado (izq.). (Fuente [2]) . Ejemplo de la distribución de temperatura en la zona de corte (dcha). (Fuente [1])

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TEMA 3

TIEMPOS Y COS TES DE MEC ANIZADO El tiempo total en un proceso de mecanizado tT se corresponde con:

tT = t p + tm + tc

(13)

siendo tp el tiempo necesario para la preparación de la máquina y de la pieza, tc es el tiempo de corte, tm es el tiempo de maniobra (movimientos sin corte, cambio de herramienta…). Por ejemplo, para una operación de torno, el tiempo de corte será:

tc =

l l l l ⋅π ⋅ D S = = = = 1000 ⋅ vc 1000 ⋅ a ⋅ v c 1000 ⋅ a ⋅ vc va a ⋅ n a π ⋅D

(14) -1

-

siendo, l la longitud a mecanizar [mm], v a la velocidad de avance [mm min ], a el avance [mm rev 1 ], n la velocidad de giro de la pieza [rpm], D el diámetro de la pieza [mm], v c la velocidad de corte -1 -1 [m min ] y 1000 es un factor para pasar la velocidad de corte a mm min . S se corresponde con la 2 superficie lateral de cilindrado [mm ]. Nota: para más inf ormación sobre ecuaciones y parámetros de corte de las dif erentes operaciones de mecanizado se recomienda la lectura de [1] y [2].

Los costes de fabricación Cf mediante mecanizado se determinan utilizando la misma expresión descrita en el anexo del tema 2:

C f = C m + C o + C A + C u + Ch

(15)

siendo: -

Coste de M ateria Prima Cm.

-

Coste de M ano de Obra Directa Co.

-

Coste de Amortización de máquinas y equipos empleados CA (puede aplicarse sobre los costes indirectos o generales, pero es más preciso calcularlo sobre cada tipo de máquina y equipo).

-

Coste de Útiles especiales Cu.

-

Coste de Herramientas Ch.

En esta ocasión deberemos prestar especial atención al coste de las herramientas. En el mercado podemos encontrar una gran variedad de herramientas, el coste de éstas puede variar, en función del tipo de material, desde 1.5-7.5 € para plaquitas de carburos sin recubrir hasta 70-80 € para plaquitas con punta de diamante (valores orientativos). En el coste de las herramientas se puede incluir el coste del cambio de la herramienta, entendiendo este coste como el coste de ocupación del puesto de trabajo (tiempos muertos).

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TEMA 3

3.3 Materiales. Desgaste y Lubricación En este apartado se va a realizar una breve introducción sobre los principales materiales que se utilizan como herramientas de corte y fluidos de corte (lubricantes/refrigerantes). También hablaremos del des gaste de la herramienta durante los trabajos de mecanizado.

MATERIALES PARA HERRAMIENTAS DE CORTE El material de las herramientas de corte es uno de los factores más importantes en las operaciones de mecanizado. La complejidad de este factor hace que habitualmente se recurra a las guías y recomendaciones de los fabricantes de las máquinas-herramienta y de las propias herramientas como primer criterio a la hora de seleccionar un material u otro. En general, el material de la herramienta debe poseer las siguientes características: -

Dureza en caliente: para que se mantengan sus propiedades mecánicas en las condiciones de elevadas temperaturas a las que se suele someter. En la siguiente figura se muestra la variación de la dureza con la temperatura de diferentes materiales. La deformación elástica de la herramienta durante la operación de corte debe ser mínima. No puede consentirse una deformación plástica en la superficie. La capacidad de carga y el límite elástico deben ser lo suficientemente amplios para soportar las presiones de trabajo. Temperatura, ºC

Cerámicos

ea sd er o

Dureza, HRC

Ac

Dureza, HRA

Carburos

d da oc i vel lta

Temperatura, ºF

Figura 22. Dureza vs Temperatura. (Fuente [1]) -

Tenacidad y resistencia al impacto: para evitar astillado o fracturas. La tenacidad del material debe ser suficiente como para soportar las condiciones de trabajo. Esta cualidad se refiere directamente a los límites de rotura y fatiga.

-

Resistencia al impacto térmico: para soportar ciclos de temperatura.

-

Resistencia al desgaste: relacionado con la vida útil. Las fuertes presiones de trabajo y la dureza del material a eliminar inciden directamente sobre la superficie de la herramienta, lo

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TEMA 3

que hace que sea necesario disponer de un acabado superficial que haga frente a estos problemas de fricción, abrasión, adhesión o corrosión. -

Estabilidad química y neutralidad: con respecto al material a mecanizar.

-

Afilado: el diseño geométrico de la herramienta debe ser el adecuado para producir el corte y no la deformación plástica del material de trabajo. El filo depende de las cualidades mecánicas de la pieza. Cuanto más duro sea el material a mecanizar el ángulo del filo será más amplio y cuanto más dúctil mas afilada tiene que estar la herramienta.

-

Capacidad de eliminación de viruta: fundamental en el mecanizado de materiales dúctiles, cuando se está trabajando con alto grado de automatización. Se deben diseñar geometrías de herramienta que faciliten la rotura de la viruta como paso previo a la extracción de la misma.

Actualmente existe una gran variedad de materiales y tipos de herramientas (diferentes propiedades mecánicas, físicas, químicas) para satisfacer los requerimientos necesarios para mecanizar los diferentes tipos de material existentes. A veces resulta difícil decidirse por un material u otro, ya que es difícil encontrar un material perfecto, que tenga todas las propiedades requeridas para una determinada operación. En la siguiente tabla el sentido de las flechas indica el aumento o incremento de cada propiedad.

Tabla 3. Características generales de los materiales para herramientas de corte (existen muchas variantes dentro de cada tipo). (Fuente [1]) Aceros de alta velocidad

Aleaciones de cobalto fundido

Carburos no recubiertos

Carburos recubiertos

Cerámi cos

Nitruro de boro cúbico policristalino

Diamante

Dureza en caliente Tenacidad Resistencia al impacto Resistencia al desgarre Resistencia al astillado Velocidad de corte Resistencia al impacto térmico Coste Profundidad de corte Método de fabricación

De ligera a pro funda Forjado, fundido, sinterizado

Forjado, sinterizado

Prensado en frío, sinterizado

Deposición física o química de vapor

Muy ligera Prensado en frío, sinterizado

Sinterizado de alta presión y alta temperatura

A continuación se hará una breve descripción de las características de los principales materiales utilizados para herramientas de mecanizado. Para más información se recomienda la Fuente [1].

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Aceros de alta velocidad (HSS ): se llaman así porque fueron desarrolladas para su uso en máquinas capaces de trabajar a mayores velocidades de lo que era posible a principios del siglo XX. Son los aceros que tienen mayor aleación que el resto de aceros para herramientas. Gracias a su tenacidad (alta resistencia a la fractura) son adecuadas para: -

Herramientas con ángulos grandes y positivos de desprendimiento o de ataque (ángulo de herramienta pequeño).

-

Cortes interrumpidos.

-

M áquinas con baja rigidez – trabajos con vibraciones.

-

Herramientas complejas de una sola pieza (brocas, machos de roscar…)

Existen principalmente dos tipos de herramientas: al molibdeno (serie M , hasta el 10% de M o) y al tungsteno o wolframio (serie T, entre 12 y 18% de W). Estas herramientas suelen ser enterizas y se afilan conforme se van des gastando.

Figura 23. Herramientas enterizas. Aleaciones de cobalto fundido: aparecieron en 1915, composición: 38-53% de Co; 30-33% de Cr; 10-20% de W. Presentan elevada dureza, muy resistentes al des gaste. No son tenaces, son sensibles a impactos. En la actualidad suelen utilizarse para operaciones de desbaste con velocidades y avances relativamente elevadas. Carburos: las herramientas anteriores tienen limitaciones en trabajos en caliente (no pueden utilizarse a elevadas velocidades). Para solventar este inconveniente se utilizaron los carburos (año 1930). Quizás sean las herramientas más importantes, versátiles y con un coste razonable dadas sus características: elevada dureza en un amplio rango de temperaturas, alto módulo elástico, alta conductividad térmica y baja dilatación térmica. Los dos grupos más utilizados son: -

Carburos de tungsteno: compuestas por partículas de carburo tungsteno (1-5 µm) aglutinadas en una matriz de cobalto (6-16%). El porcentaje de cobalto influye notablemente en las características finales de las herramientas. A mayor cobalto disminuye la resistencia, la dureza y la resistencia al des gaste y aumenta la tenacidad. Se fabrican mediante metalurgia de polvos (sinterizado). Se puede añadir carburo de titanio y/o carburo de niobio para darles propiedades especiales. Estas herramientas han reemplazado a los aceros de alta velocidad. o Carburos micrograno: tamaño de grano de 0.2 a 0.8 µm. Son más fuertes, duros y resistentes al desgaste que los anteriores. o Carburos con gradientes funcionales: la composición de la herramienta no es uniforme, es gradual. Presentas diferentes graduaciones de su composición en función de la profundidad de la herramienta, variando sus propiedades.

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-

Carburos de titanio: consiste en una matriz de níquel-molibdeno. Es más resistente al desgaste que los carburos de tungsteno, pero es menos tenaz.

-

Plaquitas de carburo: habitualmente este tipo de herramientas constan de un cuerpo de acero de alta velocidad y una plaquita de carburo intercambiable como filo de corte. Las plaquitas pueden tener diferentes formas, cuanto menor sea el ángulo de la plaquita menor será su resistencia. Cuerpo

Sujeción Abrazadera Plaquita Asiento

Plaquita

Cuerpo

Sujeción Asiento

Figura 24. Ejemplos de herramientas de mecanizado con plaquita. (Fuente [1]) Aumenta resistencia

Facilidad de romperse

Figura 25. Distintas formas de plaquitas. (Fuente [1]) -

Clasificación de los carburos: gran variedad, difícil de clasificar. Según su uso se clasifican en P (para metales ferrosos con virutas largas - Azul), M (para metales ferrosos con virutas largas o cortas y metales no ferrosos - Amarillo) y K (para metales ferrosos con virutas cortas, metales no ferrosos y materiales no metálicos - Rojo) según normativa ISO.

Cerámicos a base de alúmina: en 1950 los materiales que se utilizaban para las herramientas de mecanizado se basaban en el óxido de aluminio de alta pureza de grano fino (se prensan y se sinterizan en frío), a este producto se les conoce como cerámicos blancos. Se les puede añadir carburo de titanio y óxido de zirconio para mejorar la tenacidad y resistencia al impacto térmico. Cermets: herramientas compuestas de cerámica y metal. Se utilizan partículas de material cerámico en una matriz metálica (materiales cerámicos negros o prensados en caliente). Lo normal es 70% de óxido de aluminio y 30% de carburo de titanio. Las herramientas de este tipo suelen tener valores muy altos de resistencia a la abrasión y dureza en caliente. Químicamente son más estables que los carburos y los aceros de alta velocidad, por lo que tienden menos a adherirse al material de la pieza y a formar filos de recrecido.

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Nitruro de boro cúbico (cBN): después del diamante es el material más duro que existe. Se produce uniendo una capa de 0.5-1 mm de nitruro de boro cúbico policristalino a un sustrato de carburo mediante sinterización a alta presión y alta temperatura. El carburo proporciona resistencia al impacto, la capa de cBN aporta una resistencia muy elevada al desgaste y resistencia del filo de corte. A elevadas temperaturas son prácticamente inertes químicamente al hierro y níquel (no hay desgaste por difusión). Tienen elevada resistencia a la oxidación.

Figura 26. Herramientas con punta de nitruro de boro cúbico policristalino. (Fuente [1]) Cerámicos con base de nitruro de silicio (SiN): consisten en nitruro de silicio con adiciones de óxido de aluminio, óxido de itrio y carburo de titanio. Presentan tenacidad, dureza en caliente y buena resistencia al impacto térmico. Diamante: material más duro. Algunas propiedades de este tipo de herramientas: baja fricción; alta resistencia al des gaste; capacidad de mantener su filo de corte (des gaste). Se suele utilizar cuando se requiere un buen acabado superficial y precisión dimensional. Fibras de refuerzo: dada la necesidad de mecanizar cada vez materiales más resistentes, surgió el uso de fibras de refuerzo (longitud de 5-100 µm y diámetro de 0.1-1 µm) en materiales para herramientas de corte. Ejemplo: -

(i) Base de nitruro de silicio reforzadas con fibras de carburo de silicio. (ii) Base de óxido de aluminio y 25-40% de fibras de carburo de silicio, e incluso óxido de zirconio.

Herramientas con recubrimiento: con la aparición continua de nuevos materiales para mecanizar con propiedades cada vez más exigentes surge el desarrollo de las herramientas recubiertas. Estos recubrimientos aportan a la herramienta: menor fricción, mayor adhesión, mayor resistencia al des gaste y al agrietamiento, disminuye el desgaste por difusión, mayor dureza en caliente y resistencia al impacto. También pueden incrementar por 10 la vida útil de la herramienta. Los aspectos relativos a la rotura, deformación plástica o fatiga de la herramienta depende del metal base. Los recubrimientos deben cumplir: -

Alta dureza a elevadas temperaturas.

-

Estabilidad química y neutralidad con respecto al material de la pieza de trabajo.

-

Compatibilidad con el material del cuerpo de la herramienta.

-

M uy poca o ninguna porosidad.

-

Con todo esto se consigue: (i) Aumentar la resistencia al des gaste por fricción o abrasión. (ii) Disminuir la adherencia herramienta-pieza. (iii) Dificulta la aparición del filo de recrecido. (iv) Reduce rozamiento, realizando el trabajo con menores esfuerzos, se consiguen menores gradientes de temperatura.

Recubrimientos más usados: nitruro de titanio; carburo de titanio; carburo de cromo; carburo de niobio; carburo de vanadio; cerámicos; diamante; carbonitruro de titanio; nitruro de titanio; nitruro de zirconio, nitruro de hafnio.

Recubrimientos de fases múltiples: combinando varias capas de los recubrimientos anteriores.

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MAQUINABILID AD La mayoría de los metales y sus aleaciones pueden conformarse por arranque de viruta, aunque no todos los materiales se dejan trabajar con igual facilidad. La maquinabilidad se define como la aptitud de los materiales para ser conformados por mecanizado mediante arranque de material o viruta. Generalmente se define en términos de cuatro factores: -

Acabado superficial e integridad superficial de la superficie mecanizada.

-

Vida útil de la herramienta.

-

Fuerza y potencia requerida.

-

Nivel de dificultad de control de la viruta.

Se evalúa mediante la realización de una serie de ensayos en los que se evalúan las siguientes características: -

La duración del afilado de la herramienta.

-

La velocidad de corte para una determinada duración de la herramienta.

-

La fuerza de corte en la herramienta / potencia.

-

El trabajo de corte.

-

La temperatura de corte.

-

La producción de viruta.

-

Acabado superficial.

Experimentalmente se ha comprobado (para aceros) que la maquinabilidad depende de: -

Composición química del material. Tipo de microestructura (constitución).

-

Inclusiones que contengan (partículas de ≠ material dentro de la estructura).

-

Dureza y resistencia (materiales blandos se mecanizan a mayor velocidad).

-

Ductilidad y acritud (los materiales se mecanizan mejor cuanto más elevada sea la relación: Límite elasticidad/Resistencia M ecánica).

-

Tamaño del grano (el aumento del tamaño del grano facilita el mecanizado).

-

Conductividad térmica.

-

Presencia de aditivos libres.

Ej. Aceros: gran variedad de maquinabilidad, disminuyendo conforme aumenta el porcentaje de carbono (aumenta la dureza y el filo de la herramienta dura menos). *Nota: para más información sobre la maquinabilidad de diversos materiales s e reco mienda la lectura del capitulo 21.7 Fuente [1].

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TEMA 3

FLUIDOS DE CORTE Se utilizan en operaciones de mecanizado para: -

Reducir fricción y desgaste (mejora la vida útil de la herramienta y el acabado de las piezas).

-

Enfriar la zona de corte (mejora la vida útil de la herramienta, reduce la distorsión térmica en la pieza de trabajo).

-

Reducir las fuerzas necesarias y el consumo de energía (coste).

-

Retirar la viruta de la zona de corte.

-

Proteger la superficie ya mecanizada de la corrosión ambiental.

Los fluidos de corte pueden ser refrigerantes, lubricantes o ambos. El agua es un excelente refrigerante, pero no lubrica y provoca la oxidación. El uso de un tipo de fluido u otro depende de: tipo de operación, materiales de la herramienta y la pieza, la velocidad de corte, entre otros. Tipos de fluidos de corte. -

Aceites (aceites simples): aceites minerales, animales, vegetales, compuestos y sintéticos. Se suelen utilizar para trabajos a baja velocidad con temperaturas bajas.

-

Emulsiones (aceites solubles): mezcla de aceite, agua y aditivos. Se utilizan en operaciones de alta velocidad y elevadas temperatura (la presencia de agua hace que sean mejores refrigerantes).

-

Semi-sintéticos: emulsiones químicas (aceite mineral diluido en agua y aditivos).

-

Sintéticos: productos químicos con aditivos, diluido en agua y sin aceite.

Métodos de aplicación: existen principalmente cuatro métodos: -

Inundación: es el más común, mediante una boquilla se aplica un chorro de fluido en la zona de corte

-

Niebla: se suministra el fluido de forma semejante a un aerosol, permite llegar a zonas inaccesibles de la pieza de trabajo y proporciona mejor visibilidad.

-

Sistemas de alta presión: se utiliza para mecanizados a altas velocidades, en los que la generación de calor es mayor.

-

Mediante la herramienta de corte: el fluido de corte se aplica a través de la propia herramienta. Esta opción es útil en operaciones como el taladrado, en las que es difícil aplicar el fluido de corte directamente sobre la zona de corte.

A la hora de seleccionar un tipo de fluido u otro se debe tener en cuenta: (i)

Compatibilidad con el material de la herramienta y de la pieza.

(ii)

Criterios medioambientales.

Últimos avances: (i) M ecanizado casi en seco y en seco (por criterios medioambientales); (ii) M ecanizado criogénico (uso de nitrógeno y bióxido de carbono como refrigerantes).

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TEMA 3

DES GAS TE DE LA HERRAMIENTA La duración de la herramienta es un factor clave en todas las operaciones de mecanizado, afecta a la propia vida útil de las herramientas, a la calidad de la superficie mecanizada, la precisión dimensional del proceso, y todo ello $ IMPORTANCIA ECONÓMICA $. A su vez, el desgaste depende de múltiples factores (material de la herramienta, material de la pieza, geometría de la herramienta, parámetros de corte, tipo de máquina-herramienta y del uso de fluidos de corte). La pérdida en la capacidad de corte puede producirse de dos maneras: -

Progresivamente, por desgaste (gradualmente, como la punta de un lápiz). Tres mecanismos:

o Desgaste por adhesión: se produce al romperse las microsoldaduras existentes entre el material de la viruta y el de la herramienta, en la cara de desprendimiento. Al fracturarse estas microsoldaduras se desprenden pequeños fragmentos del material de la herramienta. Si existe rozamiento entre la cara de incidencia y la superficie mecanizada de la herramienta, se produce este desgaste, pasando fragmentos de material de la herramienta a la cara mecanizada. o Desgaste por abrasión: partículas endurecidas de la viruta deslizan por la cara de desprendimiento de la herramienta, eliminando pequeñas cantidades de material de la herramienta. o Desgaste por difusión: átomos de una red cristalina de una región de alta concentración, se desplazan, siempre a altas temperaturas, a otra región de concentración atómica menor. -

Instantáneamente, por desmoronamiento o fallo catastrófico: rápido deterioro de la arista de corte después de un periodo de corte bien ejecutado. Suele deberse a la combinación entre elevados esfuerzos de corte y elevadas temperaturas (importancia de la lubricación y refrigeración). No debe confundirse con la rotura prematura de la herramienta debido a algún defecto de ésta o por causas externas.

Figura 27. Principales zonas de desgaste de la herramienta. Zonas de Desgaste: -

Desgaste en incidencia: ocasionado por el rozamiento entre la superficie mecanizada y la cara de incidencia de la herramienta. Se genera una franja de desgaste (suele atribuirse a adhesión y abrasión).

-

Desgaste en desprendimiento (craterización / cara de ataque): en la zona de contacto de la viruta y la cara de desprendimiento de la herramienta. Suele ajustarse a la forma de la viruta, forma el denominado cráter (suele atribuirse a mecanismos de difusión).

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TEMA 3

Otros tipos de desgaste: -

Desgaste de la punta: redondeo de la herramienta afilada (por efectos mecánicos y térmicos).

-

Redondeo del filo: relacionado con el anterior.

-

Deformación plástica: elevadas temperaturas.

-

Ranuras o muescas: relacionadas con la presencia de cascarilla o capas de óxido en la superficie de la pieza de trabajo.

-

Astillado: característicos en materiales frágiles (como herramientas cerámicas). Si es pequeño se denomina microastillado, si es grande astillado grueso, fractura gruesa, hasta llegar al fallo catastrófico. Principales causas: impactos y fatiga térmica (variaciones cíclicas de temperatura).

Incidencia Desgaste

C. Ataque Cráter Incidencia

Ataque

Filo de corte astillado C. Ataque

Agrietamiento térmico C. Ataque

Filo de

C. Ataque

recrecido C. Ataque Incidencia Fallo Catastrófico

Figura 28. Ejemplos de desgastes en herramientas de mecanizado. (Fuente [1])

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TEMA 3

DURACIÓN O VIDA ÚTIL D E LA HERRAMIENTA La duración o vida útil de la herramienta es vital desde un punto de vista económico. Los estudios e investigaciones en este ámbito se han dirigido tanto al fenómeno de formación de la viruta, como a la elección de las condiciones adecuadas para asegurar una larga vida útil a la herramienta. Algunas definiciones según la norma UNE 16-148-85 Ensayos de duración de herramientas de torno de corte único, correspondiente a la IS O 3685-1977 Tool-life testing with single-point turning tools: -

Desgaste de la Herramienta: modificación de la geometría de corte de la herramienta, con relación a su geometría original, que tiene lugar durante el corte y que es debida a la pérdida progresiva del material de la herramienta.

-

M edida del Des gaste de la Herramienta: dimensión medible que permite cuantificar el valor de desgaste.

-

Criterio de Duración de la Herramienta: valor límite preestablecido en la medida del desgaste de la herramienta, o la aparición de un determinado fenómeno o circunstancia. Suele denominarse también criterio de des gaste.

-

Duración o Vida de la Herramienta: tiempo de corte, para unas condiciones de mecanizado dadas, necesario para alcanzar un criterio de duración de la herramienta.

Medida del Desgaste de la Herramienta Desgaste de Incidencia, se mide en la zona media del filo de corte: -

Ancho medio de la zona de des gaste VB.

-

Ancho máximo de la zona de desgaste VBmax.

Desgaste en desprendimiento, se mide en la cara de desprendimiento: -

Profundidad del cráter KT.

-

Cotas KB y KM.

Figura 29. Esquema de las medidas a realizar para cuantificar el desgaste. En general, y según criterios económicos, el desgaste en incidencia es el principal factor a tener en cuenta. Sólo a muy altas velocidades de corte cobra importancia el desgaste en la cara de desprendimiento.

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TEMA 3

Criterios de Desgaste En general, la evolución del desgaste suele ser progresiva. Por ejemplo, para el desgaste en la cara de incidencia se suele producir la siguiente evolución.

Figura 30. Evolución del desgaste de incidencia (VB) en función del tiempo de corte. En la anterior figura podemos observar tres zonas: -

Zona A: se produce un desgaste inicial más pronunciado de la herramienta.

-

Zona B: entramos en una zona donde el des gaste de la herramienta es más lento, manteniendo una tendencia lineal con el tiempo de corte (horas de trabajo).

-

Zona C: entramos en una zona donde aumenta la velocidad de des gaste hasta llegar a inutilizar la herramienta.

Ante esta situación, el técnico responsable deberá fijar algún/os criterio/s de desgaste que evite entrar en la Zona C. Por ejemplo, para la evolución mostrada en la Figura 30, un buen criterio puede ser “cambiar la herramienta cuando VB sea igual a 0.3”. Otros criterios que se pueden establecer: -

Cuando se alcance cierto valor de VB, VBmáx, o KT.

-

Cuando se produzca el fallo catastrófico de la herramienta.

-

Cuando la rugosidad de la cara mecanizada alcance niveles no admisibles.

-

Cuando se observen grietas en la arista de corte.

-

En función del peso o volumen de la herramienta.

-

Cuando las características geométricas de la pieza terminada no sean admisibles.

-

Cuando se observe un incremento significativo de la fuerza de corte (potencia consumida) necesaria para realizar el corte.

Por ejemplo, según la UN E 16-148-85 establece los siguientes criterios para realizar el cambio de herramientas de acero rápido: -

Desmoronamiento o fallo catastrófico.

-

VB igual o superior a 0.3 mm, siempre y cuando el desgaste sea uniforme.

-

VBmáx igual o superior a 0.6 mm, en el caso de tener un desgaste irregular.

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TEMA 3

Vida de la Herramienta En otros casos, interesa expresar el momento del cambio de la herramienta en función de otros parámetros: -

En función del tiempo de corte (horas de trabajo).

-

En función del volumen de material arrancado, de interés científico.

-

En función de la cantidad de piezas producidas, de interés para el operario y el cálculo de los costes.

-

En función de la velocidad de corte, de interés para la realización de catálogos de herramientas y poder comparar herramientas de diferentes características.

Ecuación de Taylor F.W. Taylor (1906) estudió el desgaste y la vida útil de diferentes herramientas mediante largas series de ensayos sistemáticos. En estos ensayos iba variando la velocidad de corte mientras que mantenía invariables el resto de parámetros del proceso. Como criterio para determinar la vida útil de las herramientas optó por el desmoronamiento del filo de la herramienta. Tras realizar los ensayos, Taylor obtuvo la siguiente ecuación de la vida de la herramienta que aún se usa en la actualidad:

vT n = C

(16)

log v + n log T = log C

(17)

donde, v es la velocidad de corte [m/min], T es la duración de la herramienta [min], n es un factor que depende del material (se corresponde con la pendiente de la recta logarítmica) y C es una constante que expresa la velocidad de corte correspondiente a una duración unitaria de la herramienta [1 min], esta constante es un indicador de la maquinabilidad del material de la pieza. Si trabajamos con una misma herramienta diferentes materiales, cuanto mayor sea esta constante mayor será la maquinabilidad del material (permite trabajar a mayor velocidad de corte).

Figura 31. Representación gráfica de la ecuación de Taylor (vida útil vs velocidad de corte). El factor n se corresponde con la pendiente de la recta correspondiente a la forma logarítmica de la ecuación de Taylor, conocidos dos pares de valores [v , T] se puede determinar dicho factor. Algunos valores del factor n son: 0.15 para acero rápido, 0.30 para metal duro y 0.70 para cerámica de corte 0.70. A mayor valor del factor n menos sensible se muestra la vida útil de la herramienta al aumentar la velocidad de corte. Investigaciones posteriores han mostrado válida esta ecuación para el mecanizado de aceros suaves y aleaciones de buena maquinabilidad, en condiciones de vida útil de la herramienta entre 10 y 50 minutos. Para piezas de elevada resistencia, sobretodo con herramientas de vida útil elevada, estas ecuaciones no se ajustan bien.

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TEMA 3

3.4 Torneado En el torneado se obtienen piezas de trabajo rectas, cónicas, curvadas o ranuradas, como ejes, husillos, pasadores… En la siguiente figura se presentan las principales operaciones básicas a tener en cuenta en operaciones en torno.

Cilindrado exterior

Torneado cónico

Perfilado

Cilindrado y ranurado exterior

Refrentado

Ranurado frontal

Torneado con herramienta de forma

Mandrilado y ranurado interior

Taladrado

Tronzado

Roscado

Moleteado

Figura 32. Principales operaciones en torno. [Fuente (1)] En un torno las operaciones que se realizan de mecanizado suelen ser de cilindrado y refrentado en todo tipo de materiales, se suelen utilizar herramientas de una sola punta, aunque también pueden utilizarse herramientas de forma, brocas de taladrar o machos de roscar. El manejo de los tornos requiere de mano de obra especializada, sobre todo si el torno es manual (artesanos muy experimentados). En el caso de tornos CNC, la mano de obra no tiene que ser tan especializada, aunque se requiere de un programador. Además, se pueden distinguir dos tipos de operaciones: -

Operaciones de desbaste: suelen ser las primeras operaciones que se hacen, tienen como objetivo arrancar grandes volúmenes de material lo más rápido posible, sin tener en cuenta el acabado superficial o las tolerancias. El mayor requerimiento es la resistencia del filo de corte.

-

Operaciones de acabado: se trabaja con una profundidad menor y una velocidad de avance más baja, con el objetivo de obtener el acabado superficial y las tolerancias exigidas.

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TEMA 3

Figura 33. Otros ejemplos de operaciones en torno. OPERACIONES BÁS ICAS EN TORNO Cilindrado: esta operación se realiza mediante el giro de la pieza y el movimiento longitudinal del carro portaherramientas siguiendo una trayectoria paralela al eje de giro de la pieza, trabajando la superficie exterior de la pieza de trabajo. Parámetros fundamentales: velocidad de giro de la pieza, velocidad de avance de la herramienta en sentido longitudinal y profundidad de corte en sentido transversal. Refrentado: esta operación se realiza mediante el giro de la pieza y el movimiento transversal del carro portaherramientas siguiendo una trayectoria perpendicular al eje de giro de la pieza, trabajando la cara frontal de la pieza de trabajo. Parámetros fundamentales: velocidad de giro de la pieza, velocidad de avance de la herramienta en sentido transversal y profundidad de corte en sentido longitudinal. Si mantenemos la velocidad de giro constante, a medida que se reduce el diámetro de la pieza disminuye la velocidad de corte. Ranurado: igual que en refrentado, excepto que se utiliza una herramienta de ranurar y no se trabaja en la cara frontal de la pieza. Tronzado: igual que en rasurado, salvo que se mecaniza hasta el centro de la pieza y se tronza la pieza de trabajo. Precauciones especiales en rasurado y tronzado: -

Accesibilidad de la herramienta : deben ser largas y estrechas. La punta de la herramienta sufre bastante desgaste y suelen tener menor vida útil que otras herramientas.

-

Longitud de voladizo: las herramientas de ranurar o tronzar demasiado largas presentan problemas de vibraciones e inestabilidad.

-

Problemas para disipar el calor: el calor sólo se puede disipar a través del hueco de la ranura, la propia viruta impide la acción del lubricante. También puede haber problemas de atasco de las virutas.

Cilindrado interior o mandrinado: igual que el cilindrado, con la diferencia que la herramienta trabaja el interior de orificios ya realizados. Roscado exterior e interior: ver apartado 3.7. También existe la posibilidad de incorporar herramientas motorizadas en las torretas portaherramientas giratorias, generalmente en tornos CNC. Estas herramientas combinar operaciones de torneado convencional (Fig. 32) con herramientas de fresado, taladrado, rectificado…

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TEMA 3

COMPONENTES DEL TORNO

Soporte Carro principal

Portaherramientas

Contrapunto Boquilla del

Husillo principal Cabezal

Guías

Selector de velocidades del husillo Carro transversal

contrapunto Ensamble del contrapunto Volante Control de avance longitudinal y transversal

Embrague Selector de avance

Bancada

Tablero

Tornillo de avance

Selector para roscado Barra de avance Embrague

Recolector de virutas

Figura 34. Principales componentes de un torno convencional. [Fuente (1)] Principales movimientos en torno: -

Movimiento de corte: rotativo – la pieza.

-

Movimiento de avance: lineal – la herramienta.

-

Movimiento de penetración: lineal – la herramienta.

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TEMA 3

COMPONENTES DEL TORNO CNC Panel de control

Joystick

Volantes frontales

Plato de garras Refrigerante Contrapunto

Carro transversal

Z+ X+

Carro principal Porta-herramientas

Figura 35. Principales componentes en un torno CNC. La bancada: soporta los componentes principales del torno. Grandes y rígidas, suelen ser de hierro gris o hierro fundido. En la parte superior de la bancada nos encontramos con dos guías o correderas principales. El carro: se desliza sobre las guías. En el carro nos encontramos una corredera transversal sobre la que se monta el portaherramietas. El tablero: equipado con los mandos de control de los movimientos de los carros. Cabezal: se fija a la bancada, está equipado con los motores y sistemas de transmisión que dan la potencia al husillo principal y al movimiento de los carros principal y secundario. Carro del contrapunto: puede deslizar sobre las guías principales. Se utiliza para sujetar por el otro extremo a la pieza de trabajo o para realizar trabajos con herramientas colocadas en el contrapunto. Dispositivos de sujeción de la pieza de trabajo: deben asegurar la correcta sujeción de la pieza de trabajo. La sujeción se suele realizar con los denominados platos de garras o platos de arrastre (con tres o cuatro mordazas). Los platos de garras de tres mordazas suelen tener un sistema de autocentrado de las mordazas, por lo que se suelen utilizar para trabajar con piezas redondas. Los platos de garras de cuatro mordazas suelen permitir el movimiento independiente de las distintas mordazas para poder trabajar con piezas de otras geometrías.

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TEMA 3

También existen mordazas que se pueden invertir para poder sujetar las piezas de trabajo por la superficie interior (por ejemplo por el interior de un tubo). Dado las mayores exigencias de las máquinas-herramienta más modernas (velocidades de trabajo, fuerzas…) se ha avanzado mucho en los dispositivos de sujeción. Existen dispositivos neumáticos o hidráulicos que permiten, de forma automatizada, la sujeción de las piezas de trabajo (que pueden venir suministradas mediante robots).

Figura 36. Dispositivos de sujeción de la pieza de trabajo. Tipos de sujeción: -

Sujeción al aire: la pieza se sujeta por uno de sus extremos, el plato de garras es el responsable de transmitir el movimiento de giro a la pieza. Es válido para piezas poco esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga empotrada.

Figura 37. S ujeción al aire (izq.) y sujeción entre plato y punto (dcha.). -

Sujeción entre plato y punto: la pieza se sujeta por unos de sus extremos mediante el plato de garras, el otro extremo queda apoyado en el contrapunto. El plato de garras transmite el movimiento de giro a la pieza. Admite piezas semi-esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga empotrada y apoyada..

-

Sujeción entre puntos: la pieza queda apoyada en contrapuntos en sus dos extremos. El movimiento de giro se transmite a la pieza mediante una mordaza en un punto intermedio. Admite piezas semi-esbeltas. La pieza se puede asimilar a una viga doblemente apoyada.

Figura 38. S ujeción entre puntos. Accesorios: finales de carrera de seguridad para el carro principal y transversal (topes)

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TEMA 3

Tipos de herramientas: existen tres tipos de herramientas: -

Herramientas enterizas.

-

Herramientas de plaquita soldada.

-

Herramientas de plaquita intercambiable.

Figura 39. Tipos de herramientas en torno (I).

Figura 40. Tipos de plaquitas de torno y dimensiones a definir en el simulador WinUnisoft.

Cilindrado exterior (plaquita rómbica)

Roscado exterior

Ranurado exterior

Herramienta con plaquita redonda

Broca de taladrad

Ranurado interior

Figura 41. Algunos ejemplos de tipos de herramientas en torno (II).

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TEMA 3

Tipos de sujeción de herramientas: podemos considerar las torretas portaherramientas con cambio manual (generalmente permite la colocación de 4 herramientas) o las torretas giratorias portaherramientas con cambio automático (revólver para 6-10 herramientas). Los tambores de giratorios se suelen utilizar en centros de mecanizado.

Figura 42. Torreta portaherramientas manual (a); Torreta giratoria automática (b). Tambor giratorio (c). (Fuente [2]) Geometría de la herramienta: para las herramientas de un solo filo se deben conocer sus diversos ángulos ya que es importante tenerlos en cuenta a la hora de realizar las diferentes operaciones de mecanizado: (valores generales se pueden consultar en [1]) -

Ángulo de ataque (desprendimiento): importante para controlar la dirección de la viruta y la resistencia de la punta.

-

Ángulo de filo de corte (herramienta): afecta a la formación de viruta, resistencia de la herramienta y fuerza de corte.

-

Ángulo de alivio (incidencia).

-

Radio de punta: afecta al acabado superficial y a la resistencia de la punta.

Ángulo de ataque lateral

Ángulo de ataque posterior

Ángulo de extremo del filo de corte

Ángulo de cuña

Radio de punta

a)

Superficie de ataque

Ángulo de punta

b)

Ángulo de alivio

Ángulo de alivio del

lateral

extremo

Cara lateral

c) Ángulo lateral del filo de corte

Figura 43. Torreta portaherramientas manual (a); Torreta giratoria automática (b). Tambor giratorio (c). (Fuente [1])

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TIPOS DE TORNOS Tornos de banco: se colocan en un banco o mesa de trabajo. Su potencia es baja, con avance manual y se utilizan para trabajar piezas pequeñas. Los tornos de los cuartos de herramientas tienen alta precisión, permitiendo mecanizar piezas con tolerancias pequeñas.

Figura 44. Torno de banco. Tipos de herramientas en torno (II). Tornos de propósito especial: para aplicaciones con piezas muy grandes (ruedas de tren…). Por ejemplo, los tornos verticales se utilizan para trabajar piezas grandes y pesadas en las que resulta más complicado trabajar con el eje de giro de la pieza en horizontal.

Figura 45. Torno vertical (izq.) y torno copiador (dcha.). Torno copiador: la herramienta de corte sigue la trayectoria de una plantilla (dispone de un palpador o similar que sigue el contorno de la plantilla a copiar). Torno automático: con el desarrollo de la tecnología utilizada en las máquinas-herramienta se han ido automatizando progresivamente los tornos. Podemos encontrar tornos semiatutomáticos en los que el operador debe realizar algunas tareas o torno completamente automatizados en los que hasta la colocación y retirada de la pieza de trabajo se encuentra automatizada. Máquinas automáticas para barras: son máquinas específicas diseñadas para la producción a altas velocidades de tornillos y partes roscadas.

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TEMA 3


Tornos de torreta (revólver): son máquinas capaces de realizar diferentes operaciones de mecanizado (cilindrados, mandrilado, taladrado, roscado, refrentado). El componente que caracteriza a este tipo de máquinas es que la torreta portaherramientas es hexagonal que permite la colocación de hasta seis herramientas. El cambio de herramienta se realiza girando la torreta o revólver). Portaherramientas (torreta cuadrada)

Selector de velocidades del husillo

Torreta

Avance y

Corredera

retroceso Barra de paro

Cambio

Eje de avance

posición torreta Volante torreta

Palanca de avance

Selectores de avance

longitudinal Volante del carro Volante de la corredera

Palanca de avance transversal

Figura 46. Torno de torreta (revólver). (Fuente [1]) Tornos controlados por ordenador (CNC): el movimiento de los diferentes componentes de la máquina-herramienta se realiza mediante códigos numéricos.

Panel de control

Husillo principal Torreta 1

Fresa

Broca

Herramienta torneado/ mandrinado

Escariador Motor individual Broca Torreta 2

Cabeza móvil

Figura 47. Torno CNC y torreta (10 herramientas). (Fuente [1]) En la siguiente figura se muestra una comparativa entre diferentes procesos de fabricación y la rugosidad que se puede conseguir en la superficie de las piezas fabricadas. Dicha figura puede servir de orientación a la hora de elegir un proceso de fabricación u otro, en función de los requerimientos de diseño en cuanto a calidad superficial.

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Rugosidad (Ra) Corte de desbaste Oxicorte Rectifi cado grueso Aserrado Fundición Arena Molde permanente Revestimiento A presión Conform ado Laminación caliente Forja Extrusión Laminación frío Bruñido por rodillos Mecanizado Planeado y cepillado Fresado Brochado Escariado T orneado, mandrilado T aladrado Mecanizado avan zado Químico Electroerosión Haz de electrones Rayo láser Electroquímico Acab ado Asentado T amboreo Rectifi cado electroquímico Rectifi cado Electropulido Pulido Lapeado Superacabado

Figura 48. Rugosidad vs Proceso Fabricación. (Fuente [1])

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OTRAS OPERAC IONES EN TORNO Roscado (ver apartado 3.7). Mandrinado: agrandar orificios previamente realizados mediante otra operación. Las herramientas son similares a las del torneado, se montan en la denominada barra de mandrinado. Algunas operaciones de mandrinado en piezas pequeñas se pueden realizar en torno (Fig. 49 izq.). En caso de orificios más profundos, piezas pesadas y voluminosas se puede trabajar con máquinasherramienta específicas “mandrinadoras”. En estas máquinas la pieza permanece fija y es la herramienta quien realiza todos los movimientos (Fig. 49 dcha.).

Figura 49. Mandrinado en torno (izq.) y mandrinadora (dcha.). (Fuente [2]) Algunas consideraciones: (i) es preferible diseñar orificios pasantes en vez de ciegos (facilita la expulsión de viruta); (ii ) a mayor relación longitud/diámetro mayor dificultad de mecanizar; (iii ) se deben evitar superficies interiores interrumpidas (ranuras internas…). Plaquita

Mango

Refrigerante

Discos de aleación de tungsteno

Figura 50. Esquema barra de mandrilar con plaquita de carburo (izq.); barra de mandrilar con discos de inercia (dcha.). (Fuente [1]) Taladrado (ver apartado 3.6). Escariado: operación para mejorar el acabado superficial y tolerancia dimensional de orificios realizados previamente mediante taladrado (u otro proceso).

Figura 51. Herramientas de escariado.

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3.5 Fresado El fresado se considera un tipo de mecanizado muy versátil, abarca una gran variedad de tipos de operaciones, la herramienta que se utiliza se denomina fresa (herramienta multi-filo). Hoy en día el fresado es el método de mecanizado más ampliamente utilizado. Algunas ventajas del fresado: (i) Alta eficiencia del mecanizado; (ii) Buen acabado superficial; (iii) Precisión y flexibilidad en la producción de formas. En el fresado tenemos movimientos coordinados entre una herramienta rotativa con varias puntas o filos de corte y un avance recto (o siguiendo trayectorias complejas) de la pieza. El fresado es una operación de corte ininterrumpido, los dientes de la fresa entran y salen del trabajo durante una revolución. Los dientes de la herramienta se ven sometidos a fuerzas de impacto y choque térmico en cada rotación.

Figura 52. Actuador de Rigidez Variable (ARV). En la siguiente figura se presentan las principales operaciones básicas a tener en cuenta en operaciones en fresado.

Planeado y escuadrado

Escuadrado y canteado

Ranuras y bordes

Ranuras y cortes

Vaciados

Copiados y contorneado

Chaflanes Torno-Fresado

Figura 53. Principales operaciones en fresa.

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OPERACIONES BÁS ICAS EN FRES ADO Planeado y escuadrado: consiste en obtener grandes superficies planas o en obtener superficies que formen ángulos de 90º. Ranurado y bordes: para obtener ranuras se deben trabajar varias superficies de la pieza de trabajo, habré que tener especial precaución a la hora de seleccionar la herramienta. La ranura puede ser abierta en sus dos extremos, cerrada en un extremo o cerrada en ambos extremos (chavetero). Se debe tener especial atención en la evacuación de la viruta. En bordes se incluyen los trabajos de mecanizado de bordes que no estén a escuadra. Vaciados: consiste en la eliminación masiva de material con el objeto de crea una cámara o hueco de dimensiones superiores a las dimensiones de la propia herramienta. Generalmente se empieza realizando una operación de mecanizado en dirección perpendicular a la superficie de trabajo, hasta llegar a la profundidad deseada, y luego se mecaniza en dirección paralela a la superficie de trabajo. También es posible trabajar en direcciones no paralelas a la superficie de trabajo. Copiado y contorneado: se utilizan herramientas especiales para mecanizar contornos curvos, por copia directa de una pieza patrón (copiado) o siguiendo trayectorias complejas controlando los movimientos mediante código numérico CNC (contorneado). Corte con separación de partes o serrado: se utilizan fresas de ranurar o fresas tipo disco.

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FRES ADO PERIFÉRICO O CILÍNDRICO El eje de giro de la herramienta es paralelo a la superficie de trabajo. El cuerpo de la herramienta tiene varios filos de corte (suele ser de acero de alta velocidad). Si la longitud de la fresa es superior a la anchura del corte, se denomina fresado plano. La herramienta puede tener dientes rectos o helicoidales (se prefieren los segundos, pues cada filo de corte ataca a la pieza progresivamente, mejor reparto de esfuerzos, operación más suave y sin traqueteo). Árbol/eje

Husillo

Fresa Husillo

Fresa frontal

Brazo

Figura 54. Fresado periférico (izq.); de careado (centro); frontal (dcha.). (Fuente [1]) Dentro del fresado cilíndrico podemos diferenciar:

Fresado con vencional (o en oposición): el espesor de la viruta varía gradualmente, alcanzando su valor máximo al final del corte, cuando el filo de corte abandona la superficie de trabajo. La contaminación (capas de óxido) en la superficie de trabajo no afecta negativamente a la vida de la herramienta. Éste es el método más común, el proceso es fino (si la herramienta está bien afilada). El filo de corte se desliza en vez de cortar, provocando rozamiento entre la herramienta y el material. Se tiende a levantar la pieza de trabajo de la mesa de trabajo y a que la herramienta vibre. Fresado en trepado (o a favor o concurrente): el diente comienza el trabajo en la parte superior del corte produciendo primero la parte más gruesa de la viruta. La componente vertical de la fuerza de corte tiende a fijar la pieza de trabajo a la mesa. El corte es más eficiente. La vida útil de la herramienta suele ser mayor. M ejora el acabado superficial, especialmente con aceros inoxidables, aluminio o aleaciones de titanio. Existe el riesgo de rotura de la herramienta debido al golpe o choque entre la herramienta y la pieza. No es adecuado para piezas con capas de óxido en la superficie (la cascarilla es dura y abrasiva y produce desgastes excesivos en la herramienta).

Fresado convencional

Fresado en trepado

Figura 55. Esquema del fresado convencional (izq.) y en trepado (dcha.). (Fuente [1]) Movimiento de corte: giro de la herramienta. Movimiento de avance: la mesa de trabajo se desplaza en X e Y (horizontalmente). Movimiento de penetración: la herramienta se desplaza en Z (verticalmente).

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FRES ADO DE CAREADO O REFRENTADO En este tipo de fresado la herramienta de corte se monta en un husillo con su eje de giro perpendicular a la superficie de trabajo.

Figura 56. Fresadora de careado o refrentado, también denominado planeado. Dentro del fresado de careado también podemos diferenciar entre fresado convencional o fresado concurrente. Pieza

Fresa

Pieza

Fresa

Figura 57. Fresadora concurrente (izq.) y convencional (dcha.). (Fuente [1]) Movimiento de corte: giro de la herramienta. Movimiento de avance: la mesa de trabajo se desplaza en X e Y (horizontalmente). Movimiento de penetración: la herramienta se desplaza en Z (verticalmente). Dado el movimiento relativo entre los filos de corte y la pieza de trabajo, en la superficie ya mecanizada quedan las denominadas marcas de avance (la rugosidad final de la pieza dependerá del tipo de plaquita y del avance).

Fresa

Plaquita

Avance

Pieza

(mm/diente)

Figura 58. Marcas de avance. (Fuente [1])

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Alivio (incidencia)

Ángulo del filo de corte frontal

radial Ángulo de esquina

Ataque axial

Alivio (incidencia) axial

Ataque radial

Figura 59. Terminología de ángulos en fresado de careado. (Fuente [1]) En este tipo de fresado es importante hablar del ángulo de entrada y de salida de la plaquita de corte respecto a la superficie de la pieza que se esté trabajando. En la siguiente figura se muestran diferentes situaciones en las que la plaquita de corte ataca a la superficie de trabaja con diferentes ángulos. En la situación de la izquierda la punta de la plaquita es quien sufre el primer contacto con la pieza de trabajo (se podría romper). En el segundo caso, el primer contacto se realiza lejos de la punta de la plaquita. En la derecha de la figura se muestran diferentes situaciones con diferentes ángulos de entrada y salida. Pieza Salida Entrada

Entrada Salida

Superficie ya Fresa

mecanizada Deseable

No Deseable

Figura 60. Diferentes situaciones de trabajo en fresado de careado. (Fuente [1])

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FRES ADO FRONTAL Este tipo de fresado es muy versátil y con capacidad de producir perfiles y superficies curvadas y complejas. La herramienta o fresa se suele realizar de acero de alta velocidad o con plaquitas de carburo. En general, la fresa gira sobre un eje perpendicular a la pieza de trabajo, pudiéndose inclinar para obtener superficies curvas. Con el fresado frontal se pueden producir diferentes superficies a cualquier profundidad (curvadas, escalonadas, cavidades). Este tipo de herramientas están diseñadas para poder programar trayectorias complejas.

Figura 61. Fresas frontales con punta esférica (izq.). Fresa frontal con plaquitas redondas (dcha.).

Figura 62. S uperficies obtenidas con fresado frontal. Movimiento de corte: giro de la herramienta. Movimiento de avance: la herramienta/mesa se desplaza en X e Y (horizontalmente); la herramienta puede bascular. Movimiento de penetración: la herramienta/mesa se desplaza en Z (verticalmente).

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OTRAS OPERAC IONES Fresado combinado de varias fresas paralelas: se montan en un mismo eje dos o más fresas paralelas. Fresado de forma: se utilizan fresas con perfiles específicos (el negativo de la forma deseada). Por ejemplo, se utilizan para mecanizar engranajes. Ranurado (acanalado o cortado): se utilizan fresas circulares, relativamente delgadas. Ranurado en T: fresas con forma de “T” para la obtención de ranuras “T” (como las que se pueden encontrar en la mesa de trabajo de una fresa). Ranura para chavetas: realización de ranuras en piezas cilíndricas para la colocación de chavetas (como en ejes de motores que llevan alojados engranajes). Se puede realizar con fresas de disco o fresas frontales en las que el diámetro de la fresa es el ancho de la ranura. Fresado angular: fresas con ángulo (simple o doble) para producir superficies cónicas. Fresas huecas: se montan en un eje y su uso es similar al fresado frontal. Fresado de un solo filo de corte: se montan en husillo de alta velocidad y se utilizan para operaciones de careado y mandrilado.

2 fresas paralelas

Fresa de forma

Fresa de ranurar

Fresa hueca Fresa de cortar

Fresa de ranurado en T

Figura 63. Varios tipos de fresas. (Fuente [1])

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TIPOS DE HERRAMIENTAS Las herramientas de fresar las vamos a clasificar en función de diferentes características.

Según tipo dentado: -

Dientes Fresados: de perfil casi triangular.

-

Dientes destalonados: de perfil casi rectangular.

-

Dientes Postizos (plaquitas): soldados o atornillados.

Figura 64. Fresa con dientes fresados y rompevirutas (izq.) y con dientes destalonados (dcha.). Según el paso de la herramienta (arco entre dos puntos, en el mismo plano radial, situados en dos filos de corte consecutivos): -

Paso grande: contienen pocos dientes y grandes alojamientos para la viruta. Se utilizan en operaciones de desbaste y acabado en acero.

-

Paso normal: contiene un número intermedio de dientes y alojamientos intermedios para la viruta. Se utilizan para trabajar fundiciones y operaciones de acabado medio en aceros. Permiten un alto régimen de avance.

-

Paso reducido: contienen un número elevado de dientes y pequeños alojamientos de viruta. Se utilizan para pequeñas profundidades de corte en acero, desbastes en fundición y materiales que requieren bajas velocidades de corte.

Según el número de filos de corte: -

Fresas de un corte: sólo tienen una cara activa, bien por la periferia o por un lateral. Ej. Fresa Cilíndrica o fresa de planear.

-

Fresas de dos cortes: tienen dos caras activas. Ej. Fresa frontal.

-

Fresas de tres caras: tienen tres superficies cortantes. Las más corrientes son las cilíndricas y las de disco con dientes tanto en la periferia como en las dos superficies laterales.

Figura 65. Fresa de planear, fresa frontal y fresa cilíndrica. A.L.M .

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Según su forma: -

Cilíndricas: pueden tener el dentado recto o helicoidal. Para mejorar la eficiencia del trabajo se diseñan con dos hélices de sentido contrario.

-

Disco: son fresas cilíndricas de espesor pequeño.

-

Cónicas: la superficie periférica tiene forma de tronco cónico.

-

De forma: tienen su superficie periférica adaptada a un perfil especial, que resulta ser el negativo del perfil de la pieza mecanizada.

-

Compuestas: formadas por la unión de dos o tres fresas sencillas para realizar una operación más complicada.

-

M adre: especiales para la obtención de engranajes.

Figura 66. Fresa de forma. Según su aplicación: -

Fresas de planear: cilíndricas o frontales.

-

Fresas de ranurar (ranuras rectas, ranuras en T, ranuras con cola de milano, ranuras para chavetas o chavetero).

-

Fresas de cortar (fresas de disco)

-

Fresas de perfilar (fresas de forma).

-

Fresas para tallar engranajes:

o Fresas módulo: fresa de forma cuya sección cortante es idéntica al intradiente del engranaje. o Fresas M adre: tornillo sin fin, cuya sección normal a la hélice tiene la forma de la cremallera.

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a)

b)

e)

i)

c)

f)

j)

d)

g)

k)

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h)

l)

Figura 67. Diferentes tipos de fresa: de planear (a); frontal (b); cilíndrica (c); frontal con punta esférica (d); de disco (e); frontal cónica (f); de forma (g); de ranurar en T (h); compuesta (i); fresa madre (j); de ranurar en cola de milano (k); fresa módulo (l).

Figura 68. Diferentes tipos de fresa.

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TIPOS DE MÁQUIN AS DE FRES AR Las fresadoras se consideran unas máquinas-herramienta muy versátiles y útiles, dado que pueden realizar diferentes operaciones de corte. En este apartado se describen diferentes tipo de fresas estándar, aunque muchas de ellas están quedando en desuso con la aparición de nuevas máquinas-herramientas con control numérico computerizado CNC como los centros de mecanizado.

Fresadoras del tipo columna y codo: son máquinas que se utilizan para realizar operaciones de mecanizado de propósito general, son las fresadoras más comunes. El husillo en el que se coloca la herramienta de fresado puede ser horizontal (fresado periférico o cilíndrico) o vertical (fresado de careado o frontal, mandrinado o taladrado).

Figura 69. Fresadora Horizontal (izq.). Fresadora Frontal o Vertical (dcha.). (Fuente [1]) Componentes básicos: -

Mesa de trabajo: en la que se fija la pieza de trabajo (mediante ranuras en T). Se mueve longitudinalmente (eje x).

-

Carro: soporta la mesa de trabajo y puede moverse en dirección transversal (eje y).

-

Codo: soporta el carro y puede moverse verticalmente (eje z).

-

Brazo superior: en máquinas horizontales, se ajusta para acomodar diferentes longitudes de eje (contrasoporte).

-

Cabezal: incorpora el husillo y la fijación para la herramienta. En máquinas verticales, el cabezal puede tener capacidad de movimiento en el eje z y poder bascular para trabajar con diferentes ángulos de la herramienta respecto a la superficie de trabajo.

En los ejemplos mostrados en la figura anterior, las máquinas tienen tres grados de libertad, pudiendo desplazar la mesa de trabajo en los ejes x e y, y la mesa o la herramienta en el eje z. Actualmente existen otras muchas posibilidades, con máquinas de hasta 6 grados de libertad, donde la mesa de trabajo se puede mover en los ejes x, y y z, pero también la herramienta puede hacerlo.

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Fresadoras tipo bancada: la mesa de trabajo se monta directamente sobre la bancada (no existe el codo). La mesa de trabajo sólo puede moverse longitudinalmente. Son máquinas menos versátiles, pero son bastantes rígidas y suelen utilizarse para trabajos con altas producciones. Los husillos en los que se montan las herramientas pueden ser horizontales o verticales, y pueden presentar dos o tres husillos a la vez en la misma máquina.

Corredera transversal Carros porta-husillos

Carro porta-husillo Pieza de trabajo

Mesa

Bancada

Figura 70. Fresadora tipo bancada. (Fuente [1]) Otros tipos de fresadoras: -

Fresadoras tipo cepilladora: similares a la fresa tipo bancada, están equipadas con varios cabezales y cortadores para mecanizar varias superficies. Se usan para piezas pesadas y son más eficaces que las cepilladoras.

-

Máquinas de mesa giratoria: similares a las fresadoras verticales, están equipadas con uno o más cabezales (para operaciones de careado). La mesa en la que se fija la pieza de trabajo tiene la capacidad de girar.

-

Fresadoras CNC: están desplazando a las fresadoras anteriores, son mucho más versátiles.

Figura 71. Mesa giratoria (izq.) y fresadora CNC (dcha.).

OTRAS OPERAC IONES Cepillado de mesa móvil: operación de mecanizado relativamente sencilla con la que se producen superficies planas, secciones transversales para canales y muescas (ranuras). Se realizan 2 en piezas de trabajo grandes (hasta 25×15 m ). La pieza se monta en una mesa de trabajo que se desplaza hacia delante y hacia atrás (trayectoria recta). En una corredera transversal se ubican los cabezales con las herramientas (verticales). Cepillado de mesa fija: igual que el anterior, con la diferencia que la mesa pieza no se mueve y 2 las piezas de trabajo son menores (hasta 1×2 m ).

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Figura 72. Cepilladora y piezas fabricadas. (Fuentes [1] y [2]) Brochadora: se utilizan herramientas de dientes múltiples, para mecanizar superficies externas e internas, como orificios de sección circular, cuadrada o irregular. Herramienta de brochado Avance de corte por Herramienta

diente

Pieza de trabajo

Figura 73. Piezas fabricadas mediante brochado interno (a), externo (b) y máquina de brochado vertical (c). Movimientos de Corte (■) y Avance (■) en brochadota (dcha.). (Fuente [1]) Se utiliza una herramienta peculiar, la brocha, en la que la profundidad total del material removido es la suma del material removido por cada uno de los dientes de la brocha. Con la misma herramienta o brocha se realizan las operaciones de desbaste (primeros dientes que trabajan) y las operaciones de acabado (últimos dientes que trabajan). La operación de mecanizado se puede realizar mediante esfuerzos de tracción (se hace pasar una guía por el orificio o superficie a trabajar, se fija con un amordaza, y se tira de la herramienta hasta hacerla pasar completamente por el orificio a trabajar) o de compresión. Dientes/semi-acabado Extremo para tracción

Guía

Dientes/desbaste

Dientes/acabado Guía

Diámetro

Longitud del mango

Dientes de corte Longitud Total

Figura 74. Terminología de una brocha interna tipo tracción. (Fuente [1])

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3.6 Taladrado La producción de orificios es una de las operaciones más importantes en fabricación (la gran mayoría de piezas fabricadas, por no decir todas, presentan diferentes orificios para diferentes finalidades). El taladrado es un proceso básico y común para la producción de orificios. La herramienta con la que se realiza el orificio recibe el nombre de broca. En general tienen una relación longitud/diámetro alta, para poder producir orificios relativamente profundos. La longitud de esta herramienta hace que pueda ser algo flexible, por lo que se deberá prestar especial atención cuando se quieran realizar orificios con precisión. La operación de taladrado (sobretodo en orificios ciegos) presenta la dificultad de la expulsión de la viruta, ésta se desplaza por los canales de la broca en sentido contrario al avance de la broca. El diámetro del orificio producido en el taladrado es ligeramente superior al diámetro de la broca (normalmente una broca se retira con facilidad del orificio realizado). En algunos casos puede ocurrir al contrario, si por dilatación térmica el material de trabajo se dilata durante el trabajo y se contrae al enfriarse. Generalmente, la pieza de trabajo permanece fija mientras que la herramienta gira y avanza en dirección perpendicular a la superficie de la pieza. Existe la posibilidad de que sea la pieza quien gire (por ejemplo, en torno convencional colocando la broca en el contrapunto) o que giren tanto la pieza como la broca (por ejemplo, en torno CNC o centro de mecanizado utilizando brocas motorizadas colocadas en la torreta giratoria portaherramientas).

Tipos de brocas: la broca más común es la broca helicoidal de punta estándar (Fig. 75). Lengüeta

Mango cónico

Ángulo de la punta

Diámetro de la broca Holgura del diámetro del cuerpo

Canales Cuello

Holgura del diámetro

Ángulo

Ángulo de la hélice Ángulo de alivio

de filo

Mango recto

Alma

Diámetro Long. mango

Long. canales Cuerpo

Filo de la punta

Gavilán

Labio

Cara

Longitud total

Figura 75. Broca con punta cónica. La función del par de gavilanes es proporcionar una superficie de soporte para la broca contra las paredes del orificio conforme penetra en la pieza de trabajo. (Fuente [1]) En la siguiente figura se muestran otro tipo de brocas: -

Broca escalonada: produce orificios con 2 o más diámetros.

-

Broca de núcleo: para agrandar un orificio ya realizado.

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Refrigerante alta presión

Taladrado de cañones

Taladrado de centros

Escariado

Broca de centros o de punto: es corta y se utiliza para hacer pequeños orificios en los extremos de piezas, sirven para apoyar la pieza en contrapuntos o cabezales móviles, o para marcar la localización de posteriores operaciones de taladrado (fundamentalmente en centros de mecanizado y máquinas CNC).

Avellanado

-

Abocarcado

Escariado: para trabajar la superficie interior del orificio. En este caso los filos de corte se encuentran en la periferia de la herramienta, y no en la punta de la broca.

Taladrado escalonado

-

Taladrado de núcleo

Abocardado (cajeado) y avellanado: producen alojamientos en la superficie para acomodar las cabezas de tornillos y pernos, para dejarlos al mismo nivel que la superficie de la pieza.

Taladrado

-

Figura 76. Diferentes tipos de brocas y operaciones de taladrado (I). (Fuente [1]) Broca de paletas (tipo espada): para orificios grandes y profundos. Se utilizan plaquitas intercambiables.

-

Brocas con puntas de carburo: para trabajar materiales duros, materiales abrasivos, materiales composites con refuerzos de fibras abrasivas (vidrio y grafito).

-

Taladrado de cañones: originalmente se utilizaban para taladrar cañones de armas, se utilizan para realizar orificios profundos (relación longitud:diámetro de hasta 300:1 o mayor). Las fuerzas internas de empuje (fuerza radial que oprime la broca) se equilibra con unas placas de soporte en la broca que se deslizan por el interior del orificio.

Broca de paletas Plaquita

Broca de canales (o surcos) recta

Soldadura fuerte

Plaquitas Broca con plaquitas de carburo intercambiable

Broca con plaquitas de carburo soldada

-

Figura 77. Diferentes tipos de brocas y operaciones de taladrado (II). (Fuente [1])

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-

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Trepanado: la herramienta de corte realiza el orificio cortando una pieza con forma de disco (el núcleo del orificio). Se genera un orificio sin transformar en viruta todo el material retirado. Se utiliza para realizar discos de hasta 250 mm de diámetro. Husillo Mango Filos de corte

Broca Herramienta Pieza de trabajo

Figura 78. Broca de trepanar (izq.) y trepanado con cortador simple montado sobre broca (dcha.). (Fuente [1])

FUERZA D E EMPUJE Fuerza de empuje: actúa perpendicular a la pieza de trabajo, si es excesiva puede provocar que se doble la pieza de trabajo o que se rompa, o puede provocar distorsiones en la pieza de trabajo. Depende de múltiples factores y es difícil de calcular: (i) resistencia de la pieza de trabajo; (ii) velocidad de giro; (iii) diámetro broca; (iv) geometría broca; (v) fluidos de corte. En los catálogos de herramientas suelen proporcionar datos orientativos sobre la velocidad de avance, de giro, fuerza, potencia… en función del tipo de broca y del material a trabajar.

Potencia y par: los requerimientos de potencia y de par son igualmente difíciles de calcular Tabla 4. Recomendaciones para operaciones de taladrado. (Fuente [1]) Recomendaciones generales de velocidades y avances en taladrado Diámetro broca

Material pieza

Velocidad superficial

Avance, mm/rev (pulgadas/rev)

m/min

1.5 mm

pies/min

12.5 mm

rpm 1.5 mm

12.5 mm

Aleaciones de aluminio Aleaciones de magnesio Aleaciones de cobre Aceros Aceros inoxida bles Aleaciones de titanio Hierros fundidos Termoplásticos Termoestables

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TALAD ROS El taladro más común es el taladro de columna o vertical , la pieza de trabajo se coloca en una mesa ajustable y la broca desciende manualmente o mediante avance mecanizado a la velocidad seleccionada. Este tipo de taladro se suele denominar en función del diámetro máximo que pueda trabajar (de 150 a 1250 mm). Permiten modificar la velocidad de avance y la velocidad de giro del husillo para poder seleccionar la velocidad de corte adecuada para cada en función del tipo de broca y del material de la pieza de trabajo. Los taladros tipo banco se utilizan para diámetros pequeños. Los taladros radiales grandes se utilizan para piezas de gran tamaño (distancia entre columna y husillo de hasta 3 m). También podemos encontrar taladradoras universales con la capacidad de hacer bascular las brocas para realizar orificios con cierto ángulo. También las podemos encontrar con control numérico por ordenador (CNC), por ejemplo con torretas porta-brocas del tipo revólver. También existen taladradoras con husillos múltiples, capaces de mecanizar hasta 50 orificios en un ciclo de trabajo. Aunque con el avance de la tecnología, están siendo reemplazadas por taladros CNC. a)

b)

c)

d) Columna

Torreta Mesa

Figura 79. De izquierda a derecha: taladro vertical de mesa o de banco; taladro de columna; taladro radial; taladro de tres ejes CNC.

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3.7 Roscado Una rosca se puede definir como una cresta de sección transversal uniforme que sigue una trayectoria helicoidal en la parte exterior o interior de una superficie cilíndrica (rosca recta, común en tornillos, tuercas, tornillos de avance en torno…) o cónica (rosca cónica, común en tubos de agua y gas). Las roscas se pueden obtener de diferentes formas: -

Mediante laminación (conformado pro deformación plástica). Para grandes producciones.

-

Mediante fundición (limitaciones en cuanto a acabado superficial y tolerancias dimensionales).

-

Mediante mecanizado con herramienta de corte de un solo filo de corte en torno. La forma de la herramienta dependerá del tipo de rosca a mecanizar. El avance combinado con la velocidad de giro (manual o automatizado) hace que se obtenga el perfil de la rosca. Generalmente se requieren varias pasadas para conseguir un buen acabado y tolerancia dimensional. Importante: el avance es un factor clave, ya que debe coincidir con el paso de la rosca. Husillo Desbastado

Acabado

Pieza Herrami enta

Figura 80. Operación de roscado exterior en torno (izq.) e interior en torno (dcha.). (Fuente [1]) -

Mediante machos de roscar (para roscas internas). En torno, fresadora, taladradora o manual. Este tipo de herramientas se asemejan a una broca de taladrar, presentan múltiples filos de corte que generarán la rosca. El macho de roscar debe girar a baja velocidad, posteriormente se introduce en un orificio previamente realizado.

Ranura a derechas

Ranura recta y entrada corregida

Ranura recta y entrada corta

Ranura a izquierdas

Longitud de entrada

Ranura recta y entrada larga

Longitud de rosca Ángulo de entrada

Figura 81. Diferentes tipos de machos de roscar. (Fuente [2])

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Al utilizar machos de roscar nos encontramos con diferentes posibilidades para el mecanizado de roscas en agujeros ciegos y pasantes:

o Ranura a derechas (ciego): la forma helicoidal de la ranura obliga a la viruta a retroceder en sentido contrario al avance de la herramienta. o Ranura recta y entrada corta (ciego): se obtiene una viruta muy uniforme que queda atrapada en las ranuras del macho. o Ranura recta y entrada corregida (pasante): la herramienta presenta un rebaje en la punta, obligando a la viruta a ir en el mismo sentido que el avance de la herramienta. o Ranura a izquierdas (pasante): la forma helicoidal de la ranura obliga a la viruta a avanzar en el mismo sentido que el avance de la herramienta, impidiendo que quede atorada en la rosca ya mecanizada. o Ranura recta y entrada larga (pasante): se corresponde con el macho tradicional, realiza un trabajo suave, pero requiere que toda la punta atraviese la pieza de trabajo. Juegos de machos de roscado manuales: es este caso se utilizan tres machos de roscar, un primero de desbaste, un segundo de semi-acabado y un tercer y último macho de acabado. -

Mediante terrajas de roscar (para roscas externas). En torno, fresadora, taladradora o manual. Para aumentar la velocidad de roscado en torno se pueden utilizar peines de roscar que, por lo general, incorporan cuatro filos de corte y se pueden ajustar radialmente. También encontramos terrajas de roscado, en este caso son sólidas o fijas y no se pueden ajustar radialmente. Pieza de trabajo Pieza de trabajo Peine circular Filo de corte Filo de corte Peines recto

Peine circular

Terraja

Figura 82. Peine recto para mecanizar roscas en torno, peine circular y terraja de roscado. (Fuente [1])

-

Mediante machos y terrajas de laminación: la rosca se realiza mediante conformado por deformación plástica (sin generación de viruta), presentan: o M ejor acabado superficial. o M ayor dureza. o M ayor resistencia a la fatiga. o M ejor precisión en los ajustes.

NOTA: la fabricación de roscas siempre deberá reali za rse de acuerdo a los parámetros de las roscas normalizadas, como por ejemplo las roscas métricas.

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3.8 Rectificado Existen muchos procesos de fabricación con los que no se puede obtener el acabado superficial o la precisión dimensional requerida, en estos casos se puede recurrir al uso de herramientas abrasivas para realizar el acabado de las piezas (mecanizado abrasivo).

Abrasivo: pequeña partícula dura con aristas afiladas y forma irregular. Los abrasivos tienen la capacidad de remover pequeñas cantidades de material de una superficie mediante un proceso de mecanizado que produce virutas diminutas. Las herramientas más conocidas son los discos abrasivos (usados para afilar herramientas, entre otras aplicaciones) o lijas de papel. Figura 83. Discos de rectificado.

Como abrasivos se pueden utilizar diferentes materiales (con dureza superior a los materiales convencionales de las herramientas de mecanizado). Podemos encontrar abrasivos naturales (esmeril, alúmina, cuarzo, granate y diamante), pero suelen contener impurezas y propiedades irregulares. Por otro lado, nos encontramos los abrasivos sintéticos: -

Abrasivos convencionales: óxido de aluminio (Al2O 3) o carburo de silicio (SiC).

-

Súper-abrasivos: nitruro de boro cúbico (cBN) o diamante sintético o industrial. Disco de rectificado

Pieza

Disco abrasivos delgados

Pieza Disco de rectificado

Pieza

Figura 84. Rectificado en superficies cilíndricas (a); cónicas (b); filetes (c); helicoidales (d); cóncava (e); ranurado con discos delgados (f) y rectificado interior (g). (Fuente [1]) El tamaño del grano se identifica con el número de grano (en función del tamaño del tamiz utilizado para obtener los granos). Por ejemplo, el número 10 sería grueso (tamaño medio 2 mm) y el número 60 sería medio (tamaño medio 0.25 mm), según catálogo de Norton (Saint-Goban Abrasivos, S.A., Navarra, España). El material del grano debe ser lo menos compatible posible (afinidad química) con el material de la pieza de trabajo, de este modo la reacción entre ambos materiales será menor y, por tanto,

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menor será el des gaste de la herramienta. Por ejemplo, el diamante reacciona con el hierro a altas temperaturas. -

Óxido de aluminio: para aceros al carbono, aleaciones ferrosas y aceros de aleación.

-

Carburo de silicio: para metales no ferrosos, hierros fundidos, carburos, cerámicos, vidrio y mármol.

-

Nitruro de boro cúbico: para aceros e hierros fundidos con dureza superior a 50 HRC y aleaciones de alta temperatura.

-

Diamante: para cerámicos, carburos cementados y algunos aceros endurecidos. TIPOS DE AGLUTINANTE

Vitrificados: el vidrio es el material de unión más utilizado. Sus materias primas son feldespato y arcillas. Son resistentes, rígidos, porosos y resistentes a la acción de aceites, ácidos y grasas. Son quebradizos y carecen de resistencia a golpes y choques térmicos. A veces se fabrican con placas de soporte metálicas para mejorar su resistencia. Resinas termoestables: amplia variedad de composiciones y propiedades, se conocen como discos orgánicos. Son más flexibles que las vitrificadas. Discos reforzados: resinas termoestables que incluyen una o varias capas de mallas de fibra de vidrio. Termoplásticos. Hule (caucho o goma elástica): es la matriz más flexible. Aglutinantes metálicos: mediante metalurgia de polvos, los granos abrasivos (diamante o nitruro de boro cúbico) se aglutinan en la periferia de un disco metálico a profundidades ≤ 6 mm. La unión al metal se consigue aplicando alta presión y temperatura. El material base del disco puede ser aluminio, bronce, acero, cerámicos o composites. Para reducir el coste se puede utilizar un disco abrasivo delgado soldado, mediante soldadura fuerte, a otro disco metálico (sin granos abrasivos) con la forma deseada. DIS COS DE RECTIFIC ADO Cada grano abrasivo retira muy poca cantidad de material, se necesitan una gran cantidad de granos para conseguir altas velocidades de eliminación de material. Esto se consigue aglutinando un gran número de granos en una matriz de aglutinante. Generalmente la herramienta de rectificado tiene forma de disco, discos de rectificado. La porosidad es fundamental para dar holgura a las virutas y la refrigeración.

Aglutinante Porosidad

Superficie del disco Aglutinante fracturado Microgrieta

Grano fracturado

Desgaste por rozamiento

Figura 85. Esquema de la estructura interna de un disco de rectificado. (Fuente [1]) A.L.M .

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Tipo: cilíndrico Tipo: centro hundido

Tipo: recto Cara Cara

Caras

Caras abrasivas

abrasiva

abrasiva Tipo: copa recta

Tipo: centro hundido

abrasivas

Tipo: cono Tipo: copa cónica

Cara abrasiva

Cara abrasiva

.

Figura 86. Algunos tipos de disco de rectificado. (Fuente [1])

PROCES O DE RECTIFICADO Considerando el grano abrasivo como un filo de corte individual, las principales diferencias de su acción con la de una herramienta de un filo convencional de mecanizado son: -

Los granos tienen formas irregulares y están espaciados irregularmente.

-

El ángulo de ataque (medio) suele ser altamente negativo (-60º). Las virutas se deforman plásticamente mucho más que en un proceso convencional.

-

No todos lo granos están activos durante el rectificado (depende de la profundidad que tenga cada grano dentro del aglutinante).

-

La velocidad superficial del disco (velocidad de corte) suele ser muy elevada, desde 20-1 -1 30 m s en rectificado convencional hasta 150 m s en rectificado de alta velocidad. Valores de velocidad de corte muy superiores al mecanizado con herramientas de uno ovarios filos de corte.

Grano

d

Viruta

V

Cara de desgaste

Pieza

Figura 87. Viruta en un proceso de rectificado: A, viruta; B, pieza; C, grano abrasivo; α, ángulo desprendimiento; ø, ángulo de cizallamiento; d, espesor de viruta no deformada o profundidad de corte; V, velocidad tangencial del grano en la periferia del disco; v, velocidad de la pieza de trabajo. (Fuente [1]) El aumento de temperatura en el proceso de rectificado es un factor muy importante: (i) Puede afectar a las propiedades de la superficie de la pieza de trabajo. (ii) Pueden provocar distorsiones en la pieza de trabajo por la dilatación térmica y contracción al durante el enfriamiento.

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Algunos fenómenos producidos por la temperatura: -

Chispas: son virutas en combustión, debido a la reacción exotérmica de las virutas calientes y el oxígeno de la atmósfera.

-

Revenido: ante un aumento excesivo de temperatura se puede ablandar la superficie de la pieza de trabajo.

-

Quemado: igualmente se puede producir el quemado de la superficie de trabajo.

-

Agrietamiento por calor: se pueden producir grietas superficiales.

-

Esfuerzos residuales: causados por los gradientes de temperatura en el interior de la pieza de trabajo.

DES GAS TE DE LOS DISCOS DE RECTIFICADO

El des gaste de los discos se produce por tres motivos:

(i) Desgaste por rozamiento del grano: se desafilan las aristas irregulares y puntiagudas de los granos abrasivos, debido a reacciones físicas y químicas entre el material de la pieza y los granos abrasivos. Este desgaste será bajo cuando la pieza y el grano sean químicamente inertes. (ii) Fractura del grano: los granos son quebradizos, lo que es importante en el rectificado. Al fracturarse un grano aparecen nuevas aritas afiladas (autoafilado). Lo ideal es que la velocidad de fractura del grano sea moderada. Si el grano se desgasta rápidamente antes de que se fracture el grano el grano se desafila, aumenta el rozamiento entre la herramienta y la pieza, aumenta la temperatura, el rectificado se vuelve ineficaz. Si el grano se fractura demasiado rápido estaríamos perdiendo filos de corte antes de que se hayan desgastado lo suficiente como para desecharlos. Es fundamental hacer una buena elección del tipo de grano.

(iii) Fractura del aglutinante: la fractura del aglutinante permite la expulsión de granos desafilados y la aparición de nuevos granos (autoafilado). Si el aglutinante es demasiado fuerte, no se liberan los granos ya desgastados (aumenta rozamiento). Si el aglutinante es demasiado débil, los granos se sueltan fácilmente, antes de que se hayan desgastado lo suficiente. Se conoce como relación de rectificado a la relación entre el volumen de material retirado de la pieza de trabajo y el volumen de des gaste del disco (suele ir desde 2 hasta 200, e incluso mayor). Para describir la facilidad o dificultad de rectificar un material se utiliza el término RECTIFICABILIDAD ≈ MAQUIN ABLID AD en mecanizado. Se consideran aspectos como la calidad de la superficie rectificada, su acabado e integridad, des gaste del disco, tiempos y economía de la operación.

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OPERACIONES DE RECTIFICADO Rectificado plano: es una de las operaciones más comunes, por lo general se trabajan superficies planas. Se suele trabajar con rectificadoras de husillo horizontal. Protector Mesa Pieza

Cabezal Columna

Carro Avance Bancada

Figura 88. Rectificadora de husillo horizontal (izq.) y de husillo vertical (dcha.). (Fuente [1] y [2]) Rectificado cilíndrico: para rectificar superficies cilíndricas exteriores de piezas, apoyos de cigüeñales, husillos, pernos… La pieza de trabajo cilíndrica se hace girar y se mueve lateralmente a lo largo de su eje hasta cubrir la anchura a rectificar (o se mueve el disco de rectificado).

Figura 89. Rectificadora cilíndrico en rectificadoras de husillo horizontal. (Fuente [2]) Movimientos Disco de rectificado

Figura 90. Operaciones en rectificadora cilíndrico: rectificado transversal (a); rectificado por penetración (b); rectificado de perfiles (c). (Fuente [1])

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Rectificado de roscas: se hace en rectificadoras cilíndricas con discos de rectificado especiales que coinciden con la forma de la rosca. Discos de rectificado

Figura 91. Rectificado de roscas transversal (izq.) o de penetración (dcha.). (Fuente [1])

Rectificado interno: se utilizan pequeños discos de rectificar para trabajar el interior de orificios. La pieza de trabajo se fija en un husillo giratorio. Pieza

Pieza

Pieza Disco

Disco

Rectif icado transversal

Disco

Rectif icado de penetración

Rectif icado de perfiles

Figura 92. Rectificados internos. (Fuente [1])

Rectificado sin centros: proceso de alta producción en el que se rectifican superficies cilíndricas donde la pieza de trabajo no se sujeta entre centros, ni entre platos. Rectif icado de paso

Rectif icado de

completo

penetración

Rectif icado interno sin centros Rodillo presión

Disco

Disco Pieza

Tope

Disco regulador Herramienta

Cuchilla de soporte Disco regulador

Disco regulador Rodillo soporte

Figura 93. Operaciones de rectificado sin centro. (Fuente [1])

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Otros tipos de rectificado: -

Rectificado de avance lento (para eliminación de metal a gran escala).

-

Rectificado de grandes cantidades de material mediante mecanizado.

-

Rectificadoras universales de herramientas y filos de corte.

-

Rectificadoras de torno (herramientas independientes para colocar en el portaherramientas del torno).

-

Rectificadoras de bastidor pendular (en talleres de fundición).

-

Rectificadoras portátiles.

-

Rectificadoras de banco.

4 BIBLIOGRAFÍA [1] Kalpakjian, S.; Schmid, S.R. Manufactura, Ingeniería y Tecnología. 2008. 5ª Edición, Pearson Educación, M éxico. [2] Espinosa, M .M . Introducción a los Procesos de Fabricación. 2000. 1ª Edición, Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED), M adrid (España). [3] Barrientos, A.; Peñin, L.F.; Balaguer, C.; Aracil, R. Fundamentos de Robótica. 2007. 2ª Edición, M cGraw-Hill.

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Procesos de Fabricacion Mecanica

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