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MANTENIMIENTO INDUSTRIAL

Módulo 8 Técnicas de fabricación para el mantenimiento y montaje

Autor: Método Estudios Consultores, S.L.U. Edita: Método Estudios Consultores, S.L.U. “Queda rigurosamente prohibida, sin la autorización escrita del editor, la reproducción parcial o total de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares mediante alquiler o préstamo públicos”. © 2013 Método Estudios Consultores, S.L.U.

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Módulo 8. Técnicas de fabricación para el mantenimiento y montaje

índice 1. Fundamentos del corte de metales y de máquinas de herramientas ......................................... 4

1.1. Herramientas de corte. Consideraciones generales .............................................................. 4 1.1.1. Fluidos de corte ...................................................................................................................... 9 1.1.2. Formación de la viruta ........................................................................................................ 13

2. El mecanizado y sus diferentes tipos ............................................................................................. 15 2.1. Operaciones con herramientas monofilo ............................................................................... 16

2.1.1. Cilindrado .............................................................................................................................. 18 2.1.2. Refrentado ........................................................................................................................... 22 2.1.3. Tronzado ............................................................................................................................... 23

2.2. Operaciones con herramientas multifilo ................................................................................ 24 2.2.1. Taladrado .............................................................................................................................. 24 2.2.2. Fresado ................................................................................................................................. 25 2.2.3. Muelas abrasivas ................................................................................................................. 31

3. La herramienta. Duración y desgaste ............................................................................................ 32 3.1. Desgaste de la herramienta ...................................................................................................... 32 3.2. Criterios de duración de una herramienta .............................................................................. 34 3.3. Criterios para reemplazar una herramienta .......................................................................... 35 3.4. Duración de la herramienta ...................................................................................................... 35

4. Acabados superficiales ..................................................................................................................... 37 4.1. Operaciones en torno ................................................................................................................ 38 4.2. Operaciones en fresa ................................................................................................................. 40

5. Economía del mecanizado ................................................................................................................ 43 5.1. Operaciones con velocidad de corte constante .................................................................... 45 5.2. Operaciones con velocidad de corte variable ........................................................................ 48 5.3. Operaciones con corte intermitente ....................................................................................... 51

6. Diferentes tipos de mecanizado no tradicional ............................................................................ 52 6.1. Mecanizado por procesos mecánicos ...................................................................................... 52

6.1.1. Mecanizado hidrodinámico (HDM) ................................................................................... 52 6.1.2. Mecanizado ultrasónico (USM) ......................................................................................... 54 6.1.3. Mecanizado ultrasónico rotatorio (RUM) ........................................................................ 55 6.1.4. Mecanizado asistido por medios ultrasónicos (UAM) ................................................... 57 6.1.5. Mecanizado Electromecánico (EMM) ............................................................................... 58

6.2. Mecanizado por procesos eléctricos ....................................................................................... 58 6.2.1. Mecanizado electroquímico (MEQ) ................................................................................... 59 6.2.2. Rectificado por descarga electroquímica ....................................................................... 62 6.2.3. Rectificado Electrolítico ..................................................................................................... 63

6.3. Mecanizado por procesos térmicos ......................................................................................... 64 6.3.1. Láser ...................................................................................................................................... 64 6.3.2. Mecanizado por arco de plasma ........................................................................................ 70 6.3.3. Mecanizado por haz de electrones................................................................................... 72 6.3.4. Mecanizado por electro-descarga ................................................................................... 74

6.4. Mecanizado por procesos químicos ........................................................................................ 78 6.4.1. Fresado químico ................................................................................................................. 80

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6.4.2. Mecanizado fotoquímico ................................................................................................... 80 7. Manufactura. Tipos ............................................................................................................................ 81

7.1. Manufactura flexible .................................................................................................................. 81 7.1.1. Flexible Manufacturing Systems ...................................................................................... 82 7.1.2. Flexible Manufacturing Cells ............................................................................................. 88

7.2. Manufactura just in time ........................................................................................................... 90 7.2.1. Temas y Módulos JIT ............................................................................................................ 92 7.2.2. Fases del programa JIT ........................................................................................................ 94

8. Resumen ............................................................................................................................................. 96

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MÓDULO 8. TÉCNICAS DE FABRICACIÓN PARA EL MANTENIMIENTO Y MONTAJE 1. Fundamentos del corte de metales y de máquinas de herramientas 1.1. Herramientas de corte. Consideraciones generales Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que se destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura (porque en un proceso de mecanizado con herramientas tradicionales tªherramienta > tªpieza > tªviruta ; con herramientas más avanzadas se logra concentrar el aumento de temperatura en la viruta). La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación de corte a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc. Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Para conocer las aleaciones de aceros para herramientas hay que saber las funciones que cumplen cada uno de los elementos que forman la aleación. Los elementos se agregan para obtener una mayor dureza y resistencia al desgaste, mayor tenacidad al impacto, mayor dureza en caliente en el acero, y una reducción en la distorsión y pandeo durante el templado. El resumen de estas características se detalla en la siguiente tabla:

Elemento Cantidad Propiedades

Carbono (C)

0,6 % - 1,4 %

Forma carburos con el hierro. Aumenta la dureza. Aumenta la resistencia mecánica. Aumenta la resistencia al desgaste.

Cromo (Cr)

0,25 % - 4,5 % Aumenta la resistencia al desgaste. Aumenta la tenacidad.

Cobalto (Co)

5 % - 12 %

Se emplea en aceros de alta velocidad. Aumenta la dureza en caliente. Permite velocidades y temperaturas de

operación más altas manteniendo la dureza y los filos.

Molibdeno (Mo)

hasta 10 %

Elemento fuerte para formar carburos. Aumenta la resistencia mecánica. Aumenta la resistencia al desgaste. Aumenta la dureza en caliente. Siempre se utiliza junto a otros

elementos de aleación. Tungsteno

(W) 1,25 % - 20 %

Mejora la dureza en caliente. Aumenta la resistencia mecánica.

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Elemento Cantidad Propiedades Vanadio

(V) Aceros al Carbono: 0,20 % - 0,5 % Aceros Alta Velocidad: 1 % - 5 %

Aumenta la dureza en caliente. Aumenta la resistencia a la abrasión.

En las herramientas de corte existen varias familias dependiendo del material de que se componen, cada una tiene ciertas características de resistencia y puede realizar mejor alguna operación de corte. Estas podemos verlas en la siguiente tabla: La siguiente tabla muestra como difieren las propiedades de los distintos tipos de herramientas:

Acer

os a

l ca

rbon

o

Acer

os

alta

ve

loci

dad

Alea

cion

es d

e co

balto

Ca

rbur

os

cem

enta

dos

Carb

uros

re

vest

ido

s

Cerá

mic

as

Nitr

uro

de b

oro

cúbi

co

Diam

ante

Dureza en caliente

- - - ↑ - - - →

Tenacidad - - - ↓ - - - →

Resistencia al impacto

- - - ↓ - - - →

Resistencia al desgaste

- - - ↑ - - - →

Resistencia a melladura

- - - ↓ - - - →

Velocidad de corte

- - - ↑ - - - →

Resistencia a cambios de Tª

- - - ↓ - - - →

Costo - - - ↑ - - - →

Profundidad de corte

Baja a media

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Baja a alta

Muy baja

Acabado esperable

Regular Regular Regular Bueno Bueno Muy

bueno Muy

bueno Excelente

Nomenclatura de las herramientas de corte Existen diversos tipos de herramientas de corte, entre las que se destacan las monofilo, las multifilo y las abrasivas. Las herramientas monofilo se usan en las operaciones principales de torneado, las multifilo se usan en operaciones de fresado y taladrado, y las abrasivas en procesos de rectificado. Las herramientas de corte monofilo (un filo) estructuralmente constan de dos partes, una cortante (o elemento productor de viruta) y otra denominada cuerpo. Se encuentran

Herramientas

Propiedades

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normalmente en tornos, tornos revólver, cepillos, limadoras, mandrinadoras y máquinas herramientas semejantes.

En la figura de arriba se observan las partes más importantes de una herramienta monofilo donde se pueden destacar:

La cara, que es la superficie o superficies sobre las cuales fluye la viruta (superficie de desprendimiento).

El flanco, que es la superficie de la herramienta frente a la cual pasa la superficie generada en la pieza (superficie de incidencia).

El filo es la parte que realiza el corte, siendo el filo principal la parte que ataca directamente a la pieza y el filo secundario la parte restante.

La punta de la herramienta es el lugar donde se intersecan el filo principal y secundario.

En general, la herramienta tiene dos componentes de movimiento. La primera corresponde al movimiento derivado del movimiento principal de la máquina, y la segunda está relacionada con el avance de la herramienta. El movimiento resultante corresponde al movimiento resultante de corte, y el corte, como tal, se produce por un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. El movimiento principal es el que consume una mayor cantidad de energía, y corresponde normalmente al que mueve al husillo. El movimiento de avance ocupa menos energía y puede ser un movimiento continuo o alternado.

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El ángulo entre la dirección del movimiento de corte principal y el movimiento resultante se llama ángulo de la velocidad de corte resultante (η). Debe destacarse que, como habitualmente el avance es relativamente pequeño en comparación con el movimiento principal, el ángulo de corte resultante se considera cero. Otro punto importante de tener presente es que no en todas las operaciones de mecanizado la velocidad de corte es constante, pues por ejemplo, en el refrendado, la velocidad de corte es función del radio de la pieza. La velocidad de corte resultante (ve), que es la velocidad instantánea relativa entre el filo de la herramienta y la pieza, está dada por:

ve = v · cos(η) Pero como para la mayoría de los procesos de mecanizado η es muy pequeño, generalmente se considera:

ve = v

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Finalmente, otro de los ángulos importantes cuando se considera la geometría de una operación de mecanizado es el llamado ángulo del filo principal de la herramienta (kr). El espesor de la capa de material que está siendo removido por un filo en un punto seleccionado, conocido como espesor de la viruta no deformada (ac), afecta significativamente la potencia requerida para realizar la operación. Esta dimensión debe ser medida en un plano normal a la dirección de corte resultante pasando por el filo. Adicionalmente, como η es pequeño, ac puede medirse normal a la dirección del movimiento principal. Analizando la figura anterior se tiene:

ac=af·sen(kr) Donde af es el encaje de avance, es decir, el encaje instantáneo de la herramienta en la pieza. Los datos anteriormente explicados, si bien se remiten al caso particular de las herramientas monofilo, se amplían a los otros casos. Consideraciones sobre los ejes coordenados Para efectos de mantener un ordenado uso de los ejes coordenados en lo que sigue, se observará una serie de convenciones, las cuales se detallan a continuación:

Se definen como ejes para la máquina y sus rotaciones X, Y y Z, A, B y C. Para las rotaciones en particular se observará la regla de la mano derecha para el sentido positivo de éstas.

Se definen como ejes para la herramienta y sus rotaciones X’, Y’ y Z’, A’, B’ y C’.

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En cualquier máquina se definirá primero el eje Z, y éste irá paralelo al eje de rotación del husillo.

Si la máquina no tiene husillo, el eje Z se define perpendicular a la superficie en que se trabaja.

El sentido del eje Z es positivo cuando la herramienta se aleja de la pieza. El eje X se define horizontal (cuando se pueda), por ejemplo, en el torno es radial. En las máquinas sin husillo el eje X es paralelo a la dirección principal de movimiento. Si gira la herramienta, y el eje Z es horizontal, el eje X es horizontal también. El sentido del eje X se define positivo cuando la herramienta se aleja del eje de

rotación. Finalmente, el eje Y se impone manteniendo el orden conocido de los tres primeros

dedos de la mano derecha. 1.1.1. Fluidos de corte Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con un corte en seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta, lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Los hay de tres tipos:

a. Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral. b. Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor. c. Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad.

Ventajas de los enfriadores:

Aumentan la vida de la herramienta bajando la temperatura en la región del filo principal.

Facilitan el manejo de la pieza terminada. Disminuyen la distorsión térmica causada por los gradientes de temperatura

producidos durante el mecanizado. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la región

de corte. La segunda y tercera ventaja se manifiestan más claramente al realizar operaciones con muelas abrasivas. Ventajas de los lubricantes:

Disminuyen la resistencia de fricción al movimiento, aminorando el consumo de potencia, alargando la vida de la herramienta y mejorando la calidad superficial del acabado.

Tienen un ingrediente reactivo que forma un compuesto de baja resistencia al corte, el cual actúa como un lubricante en los bordes.

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Son suficientemente estables como para mantener sus propiedades bajo las condiciones de temperatura y presión existentes en la interfase viruta-herramienta.

Sin embargo, la efectividad de todos los lubricantes para corte disminuye a medida que aumenta la velocidad de corte. Aplicación de fluidos de corte La forma en que se aplique un fluido de corte tiene una influencia considerable en la vida de la herramienta, así como en la operación de mecanizado en general. A pesar de que existen equipos muy complejos y efectivos para dosificar los fluidos en la zona del corte, estos no son necesarios para lograr buenos resultados. Incluso el mejor fluido de corte puede no cumplir su función con éxito si no es distribuido correctamente en la zona del corte. La idea es que el fluido forme una película sobre las superficies en roce, díganse la pieza y la herramienta. Es preferible que el fluido llegue en forma continua a la pieza antes de que llegue de manera intermitente, pues de esta última manera pueden producirse ciclos de temperatura letales para la microestructura tanto de la pieza como de la herramienta.

Aplicación correcta de fluido de corte en un torno

Aplicación correcta de fluido de corte en una fresa

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Aplicación correcta de fluido de corte en un taladro

Aplicación correcta de fluido de corte en una rueda esmeril Una buena aplicación de fluido de corte permite además una adecuada remoción de viruta, lo cual ayuda a alargar la vida de la herramienta. Existen diversas maneras de aplicar el fluido de corte, sin embargo se destacarán tres:

a. Manual: se aplica el fluido con una brocha, lo que produce una aplicación intermitente, con una baja remoción de viruta y un limitado acceso a la zona de corte.

Aplicación manual. (La de menor coste, pero puede dar residuos, ser poco confiable y

peligrosa para el profesional)

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b. Automática de chorro continuo (o por goteo): se trata de una boquilla apuntada a la herramienta que chorrea constantemente a baja presión el fluido. Logra una buena penetración a nivel de herramienta y pieza.

Aplicación por goteo. (Económico, puede ser medido; a la mayoría le falta corte automático; capacidad limitada)

c. Niebla (pulverizador): se aplica un rocío constante con aire comprimido sobre el área de corte. Presenta un riesgo a la salud si no se toman las medidas de seguridad correspondientes, ante la eventual inhalación de gotitas aceitosas.

Aplicación con pulverizador. (Generalmente eficiente y versátil, pero limitado a fluidos de baja viscosidad; puede crear problemas de niebla)

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Revestimiento de rodillo

(Medianamente bueno para piezas planas, pero malo en piezas moldeadas; su porte

restringe las aplicaciones)

Flujo recirculante

(Altamente efectivo y versátil; puede interferir con componentes eléctricos; no es fácil de instalar)

Otras formas de aplicar el fluido de corte 1.1.2. Formación de la viruta El tipo de viruta producida durante el corte de metales depende del material que se esté mecanizando y de las condiciones de corte utilizadas. Sin embargo, existen tres tipos básicos de formación de virutas que se encuentran en la práctica: la viruta continua, la viruta continua con recrecimiento del filo y la viruta discontinua. Formación de viruta continua Este tipo de viruta es común cuando se mecanizan la mayoría de los materiales dúctiles, tales como hierro forjado, acero suave, cobre y aluminio. Puede decirse que el corte bajo estas condiciones es un proceso estable, pues es básicamente un cizallamiento del material de trabajo con el consecuente deslizamiento de la viruta sobre la cara de la herramienta de corte. La formación de la viruta tiene lugar en la zona que se extiende desde el filo de la herramienta hasta la unión entre las superficies de la pieza; esta zona se conoce como la zona de deformación primaria. Para deformar el material de esta manera, las fuerzas que se transmiten a la viruta en la interfase existente entre ella y la cara de la herramienta son suficientes para deformar las capas inferiores de la viruta a medida que ella se desliza sobre la cara de la herramienta (zona de deformación secundaria). A pesar de que generalmente con esta viruta se logra un buen acabado superficial, especialmente en máquinas automáticas, existe un grave peligro, cual es la posibilidad de que la viruta se enganche ya sea con el portaherramientas, la ropa del operador o incluso con la misma pieza. Esto se puede remediar usando “quebradores de viruta” en conjunto con las herramientas.

Formación de viruta continua

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Formación de viruta continua con recrecimiento del filo Bajo ciertas condiciones, la fricción entre la viruta y la herramienta es suficientemente grande para que la viruta se suelde a la cara de la herramienta. La presencia de este material soldado aumenta aún más la fricción, y este aumento induce el auto soldado de una mayor cantidad de material de la viruta. El material apilado restante es conocido como filo recrecido. A menudo el filo recrecido continúa aumentando hasta que se aparta a causa de su inestabilidad. Los pedazos son entonces arrastrados por la viruta y por la superficie generada en la pieza. La figura muestra una superficie rugosa obtenida en estas condiciones. El recrecimiento del filo es uno de los principales factores que afectan el acabado superficial y puede tener una influencia considerable en el desgaste de las herramientas. Sin embargo, a pesar de ser generalmente indeseable, una capa delgada y estable de filo recrecido puede llegar a proteger y alargar la vida de una herramienta.

Formación de viruta continua con recrecimiento del filo Formación de viruta discontinua Durante la formación de la viruta, el material es sometido a grandes deformaciones, y si es frágil, se fracturará en la zona de deformación primaria cuando la formación de viruta es incipiente, segmentándose. Esta segmentación puede presentarse como serrucho o definitivamente discontinua. Se producen virutas discontinuas siempre que se mecanicen materiales tales como hierro fundido o bronce fundido, pero también pueden producirse cuando se mecanizan materiales dúctiles a muy baja velocidad y avances grandes. Debido a la naturaleza discontinua de esta viruta, las fuerzas varían continuamente durante el corte. Consecuentemente, la rigidez del portaherramientas y otros elementos debe ser suficiente, de lo contrario la máquina herramienta comenzará a vibrar, lo cual afecta adversamente la terminación superficial y la exactitud dimensional de la pieza. Además pueden existir daños o acortarse la vida útil de las herramientas.

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Formación de viruta discontinua Gran parte de lo anteriormente discutido para metales se aplica también a materiales no metálicos. Se pueden obtener diversas virutas al cortar termoplásticos, dependiendo del tipo de polímero y los parámetros del proceso, dígase profundidad de corte, geometría de la herramienta y velocidad de corte. Debido a su naturaleza, los plásticos y cerámicas en su mayoría producirán viruta discontinua. 2. El mecanizado y sus diferentes tipos Las operaciones de mecanizado se pueden subdividir en dos grandes grupos:

I. Mecanizado sin arranque de viruta. II. Mecanizado con arranque de viruta.

Algunos ejemplos de estas operaciones se enuncian a continuación:

I. Mecanizado sin arranque de viruta:

Sinterización. Laminación. Estampado. Trefilado. Fundición. Extrusión. Forja. Doblado. Embutido.

II. Mecanizado con arranque de viruta:

Torneado. Taladrado.

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Escariado. Mandrinado. Limado. Cepillado. Fresado. Aserrado. Rectificado. Bruñido. Electro-erosión.

Existen tres factores primarios que deben ser definidos en cualquier operación básica de mecanizado, éstos son: velocidad, avance y profundidad de corte. Otros factores como el tipo de material y el tipo de herramienta tienen bastante importancia, pero los tres primeros son los que el operador puede ajustar independientemente de los demás.

Velocidad: se refiere a la velocidad de rotación del husillo de la máquina para el mecanizado. Está expresada en revoluciones por unidad de tiempo. Cada diámetro de trabajo nos entregará una velocidad de corte distinta, aunque la velocidad de rotación permanezca constante, y es por esto que debe tenerse especial precaución al decidirla.

Avance: se refiere a la herramienta de corte, y se expresa como la razón de la distancia longitudinal recorrida por la herramienta por revolución del husillo (mm/rev).

Profundidad de corte: llamado también encaje axial, se refiere al espesor, diámetro o radio (según esté convenido) que es removido en la operación de mecanizado. Esta es una magnitud transversal, por lo que se expresará en milímetros o en otra unidad de longitud.

2.1. Operaciones con herramientas monofilo A continuación se enuncian una serie de procesos de mecanizado con herramientas monofilo, éstos se desarrollan básicamente en un torno. En cada caso se hará un análisis de los tiempos de mecanizado necesarios, potencia necesaria para cada proceso, entre otros.

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Torno horizontal convencional Las operaciones de mecanizado en un torno se realizan principalmente con las herramientas enumeradas a continuación.

Distintas herramientas monofilo, siendo todas del tipo pastilla o plaquita

Para fijar la herramienta al torno se utiliza un porta-herramientas, éste varía según la operación a realizar, pero es común ver porta-herramientas que con pequeñas variantes logren distintas operaciones.

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Distintos porta-herramientas

2.1.1. Cilindrado Tal como su nombre lo indica, ésta es una operación de mecanizado que produce partes cilíndricas. Tiene por objeto lograr una superficie cilíndrica de menor diámetro que la original. En forma básica, esta operación puede ser definida como el mecanizado de una superficie externa, que es realizada:

Con la pieza rotando. Con una herramienta de corte monofilo. Con la herramienta de corte paralela al eje de la pieza y a una distancia que removerá la

superficie externa de la pieza.

Como muestra la figura de arriba, en todo proceso de mecanizado podemos identificar tres superficies:

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Superficie de trabajo: superficie que va a ser removida en el mecanizado. Superficie mecanizada: superficie producida por la herramienta. Superficie de transición: la parte de la superficie formada en la pieza por el filo y que

será removida en la siguiente carrera o revolución. Para el cilindrado exterior, los cálculos teóricos del mecanizado son los siguientes: El encaje axial se define como:

2d - d

=a mwp

Donde dw es el diámetro de trabajo y dm es el diámetro de mecanizado. La velocidad de corte de la punta de la herramienta está dada por:

2d + d

×n×=V mwWavm π

Donde nw es la velocidad de rotación del husillo. El material removido por unidad de tiempo es el producto de la velocidad de corte y la sección (área) de la viruta sin cortar,

Zw = Ac · Vavm

Ac es el área de la superficie sacada, y se calcula como la multiplicación del avance f, medido en milímetros por revolución, y el encaje axial:

Ac = f · ap Por lo tanto,

Zw = π · f · ap · nw · (dm+ap) (1) Este cálculo se puede visualizar en la siguiente figura:

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Cilindrado El tiempo de mecanizado es:

w

wm n × f

L=t (2)

Donde Lw es el largo de mecanizado. Conociendo esto podemos conocer la cantidad de material total removida en la operación de mecanizado, la cual es:

mwtotal t×Z=Z (3) Reemplazando (1) y (2) en (3),

4) d - d ( · ·L

=Z2

m2ww

total

π

El espesor de viruta no deformada está definido por la multiplicación del encaje de avance y el seno del ángulo formado por el filo principal y la pieza. En el caso de herramientas monofilo, el encaje de avance es igual al avance, f:

ac = f · sen(kr) (4) Para las condiciones anteriormente descritas debemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:

Pw = ps · Zw (5)

Donde ps es la energía requerida para remover un volumen unitario de material, ésta es obtenida del gráfico de abajo, considerando el espesor medio de la viruta no deformada, ac , y el material que está siendo maquinado.

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Todo lo anteriormente descrito corresponde a un cilindrado exterior, pero se puede extender en forma análoga a cilindrados interiores. Estos consisten en mecanizar el agujero interior de una pieza cilíndrica mediante procesos similares a los descritos en el cilindrado exterior. Se utiliza, sin embargo, una herramienta y un porta-herramientas distinto.

Cilindrado Interior

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Para el cilindrado interior las fórmulas son básicamente las mismas, cambiando solamente la del material removido por unidad de tiempo, la cual queda como sigue:

Zw= π · f · ap · nw · (dm - ap) (6) 2.1.2. Refrentado Este proceso consiste en mecanizar una de las caras de la pieza cilíndrica para dejarla perfectamente plana. Esto se realiza moviendo la herramienta en dirección normal al eje de rotación de la pieza. Con respecto a la herramienta de corte, cabe hacer mención que en este proceso se coloca con un cierto ángulo con respecto al eje de la pieza, ocupándose la misma herramienta usada para el cilindrado. Debe tenerse precaución para evitar romper la herramienta en caso de pasarse del centro del diámetro del cilindro, puesto que en esa mitad el cilindro gira en sentido contrario y puede agarrar la herramienta por detrás, causándole un daño irreparable. Para el proceso de refrentado, la velocidad de corte con que se realizan los cálculos numéricos se determina respecto al diámetro inicial de la pieza a mecanizar, ya que el diámetro de trabajo varía en cada instante. El tiempo de mecanizado en el refrentado es:

w

mm ·n f · 2

d=t (7)

La velocidad máxima de corte y la cantidad máxima de material removido por unidad de tiempo son:

Vmax = π· nw · dm (8)

Zmax = Ac · Vmax = π · f · ap · nw · dm (9) La cantidad total de material removido es:

4d · ·a

=Z2mp

total

π (10)

Finalmente, la potencia máxima necesaria para el refrentado se expresa como:

Pmax = ps · Zmax (11)

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Operación de refrentado 2.1.3. Tronzado Este proceso consiste en hacer un canal en un cilindro, el cual puede llegar a cortar la pieza de trabajo en dos partes. Este proceso se realiza con una herramienta más delgada y débil que la que se usa para el cilindrado, por lo que su manipulación requiere de especial cuidado. En los tornos convencionales este proceso se realiza manualmente, por lo que variables como el tiempo de mecanizado no son calculables en forma directa

Tronzado

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2.1.4. Roscado Este es un proceso en el cual se le da forma de rosca a una pieza cilíndrica. Existen muchos métodos para producir roscas, pero el torno fue el primero en implementarlo, y sigue siendo el más versátil y simple.

Roscado 2.2. Operaciones con herramientas multifilo 2.2.1. Taladrado Este proceso consiste en generar una superficie cilíndrica interior (agujero), por medio del uso de brocas en espiral. La herramienta acostumbra tener dos filos y cada uno de ellos corta la mitad del material al dar un giro. La velocidad de corte es máxima en el borde exterior del filo principal y cero en la punta de la broca, la cual tiene forma de un filo de cincel corto. Este último, al taladrar, fuerza al material hacia los lados para ser removido por los filos. La calidad del orificio producido es principalmente determinada por las condiciones de los filos secundarios, siendo poco afectada por el estado de la punta. Hay que mencionar que la viruta formada por los filos toma una forma helicoidal y sale a través de las ranuras de la broca.

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Punta de una broca De acuerdo a la figura de arriba, y existiendo dos filos, se tiene que:

)k(sen×2f

=a rc (12)

El tiempo de mecanizado será:

w

wm n · f

L=t (13)

El material removido por unidad de tiempo es:

w

2

W n · f · 4 d ·

=Zπ

(14)

Al hacer un agujero de diámetro d, finalmente tenemos:

w

2i

2e

W n · f · 4) d - d ( ·

=Zπ

(15)

Para agrandar un agujero de diámetro original di a un diámetro final de. 2.2.2. Fresado Este proceso consiste en arrancar material de una pieza haciéndola pasar por una herramienta multifilo (varios dientes). A diferencia del mecanizado en un torno, en la fresa se

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mueve la pieza a mecanizar (en el torno la herramienta) y la herramienta permanece fija rotando. Toda herramienta para fresado queda definida por tres parámetros, según la nomenclatura A * B * C, donde A es el diámetro, B es el ancho y C es el número de dientes.

Herramientas para el mecanizado en una fresa El fresado se puede clasificar según la posición de la herramienta respecto del material de trabajo en:

Fresado horizontal: la superficie fresada es generada por los dientes localizados en la periferia del cuerpo cortante (herramienta). El eje de rotación de la herramienta está en un plano paralelo al de la superficie de la pieza de trabajo.

Fresado vertical: la herramienta es montada en un husillo, cuyo eje es perpendicular a la superficie de la pieza de trabajo. Aquí la herramienta corta solo con una parte de sus dientes.

Fresado superficial: es confundible con el fresado vertical, pero se diferencia en que la superficie de la herramienta en contacto con el material no es plana (fresado vertical), sino que tiene filo con formas diversas.

Fresa horizontal Fresa vertical Fresado superficial

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Fresado horizontal Este proceso será en el que más profundizaremos en fresado, considerando que los otros tipos de fresado se analizan en forma análoga. Así, los resultados obtenidos en el fresado horizontal serán ilustrativos del fresado vertical y superficial. Todo proceso de fresado puede clasificarse según el sentido de rotación de la herramienta respecto del avance de la pieza a mecanizar.

Rotación a favor del avance

Rotación en contra del avance En el caso de rotación a favor del avance se obtiene una mejor calidad superficial, pero la herramienta suele montarse sobre la pieza, con lo que se rompe. Además, se requiere menor potencia y existe mayor rigidez. En la rotación en contra se obtiene una superficie de menor calidad, pero la herramienta asegura una mayor duración.

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El sentido de rotación dependerá de las características del material a mecanizar. En el caso de un material blando, a favor del avance, y si es un material duro, en contra del avance. En la práctica se usa principalmente el sentido de rotación en contra del avance. Algunas operaciones de fresado horizontal se muestran a continuación:

Fresado compuesto

Fresado de forma

Ranurado

Cortado

Para el fresado horizontal, el avance está dado por:

nV

=fw

f (16)

Donde Vf es la velocidad de avance de la pieza. El encaje de avance se define como el avance por diente de la fresa:

Nf

=af (17)

Con N igual al número de dientes de la herramienta. Para el fresado horizontal tenemos la situación que se ve en la siguiente figura:

29


El espesor máximo de viruta no deformada está dado por:

) sen(· Nf

= n·N ) sen(·V

=aw

fmaxc θ

θ (18)

Y,

2a

=a maxccav

Dada la figura anterior:

( )t

e

da 2·

-1 = cos θ (19)

Donde ae es el encaje axial y dt el diámetro exterior de la fresa. Entonces,

(20) Y reemplazando (20) en (18),

(21) Reordenando (21),

Y, si a<<dt,

(22) El tiempo de mecanizado está dado por:

f

1owm V

L + L + L=t (23)

30


Donde:

Y,

Esta última es la distancia que debe ser retirada la herramienta para poder sacar la pieza. Estas dos dimensiones representan el punto en que comienza y termina el contacto entre la herramienta y la pieza, tal como se ilustra en la siguiente figura:

El material removido por unidad de tiempo es:

Zw = ae · bw · Vf (24) Siendo bw el ancho de mecanizado, el cual es el mínimo entre el ancho de la herramienta y el ancho de la pieza. Para las condiciones anteriormente descritas podemos calcular la potencia necesaria para realizar la operación de mecanizado, cuyo valor está dado por la siguiente ecuación:

Pw = ps · Zw (25)

Fresado vertical En este caso, el espesor máximo de viruta no deformada será:

w

fmaxc n · N

V=a (26)

31


El tiempo de mecanizado está dado por:

f

twm V

d + L=t (27)

O por,

(28) Dependiendo de si el eje de rotación de la herramienta pasa (a) o no (b) por sobre la pieza. Esto se ilustra en la figura de abajo, mirado desde arriba:

2.2.3. Muelas abrasivas Las muelas abrasivas se usan en máquinas llamadas rectificadoras, las cuales generalmente son usadas para terminación, en rectificados planos o cilíndricos. Un ejemplo conocido es el llamado esmeril. Todas las muelas abrasivas poseen un husillo, que gira a gran velocidad, en donde se monta la muela. Esta muela abrasiva generalmente tiene forma cilíndrica, y está compuesta por material cortante (granos) y un aglutinante. El material de corte puede ser óxido de aluminio (Al2O3), carburo de silicio (SiC), carburo de titanio o nitrato cúbico de boro, y como aglutinantes se pueden usar resinas sintéticas, gomas o aglutinantes vitrificados. El tamaño de los granos varía entre los 0,00025 y 0,025mm, es por esto que el encaje axial es muy difícil de calcular, pues se saca muy poco material. Las muelas se van desgastando con el tiempo, ya que el aglutinante deja que los granos se desprendan y así la muela no se alise, entregando una pieza bien mecanizada (acabada superficialmente). La superficie de la pieza se considera terminada cuando no salen más chispas del contacto muela-pieza, lo cual demora. En una rectificadora la pieza tiene dos movimientos, uno de avance longitudinal y otro lateral intermitente.

32


El tiempo de mecanizado está dado por:

Sw

wm t+n 2·f·

b = t (29)

Donde ts es el tiempo que transcurre hasta que deja de chisporrotear, nw es la frecuencia de alternación y f es el avance lateral por carrera. Finalmente, el material removido por unidad de tiempo es:

transv pw v ·a f· = Z (30)

Siendo vtransv la velocidad transversal, ap el encaje axial y f el avance lateral por carrera de corte. 3. La herramienta. Duración y desgaste En todo proceso de manufactura tiene que haber un equilibrio entre el volumen de producción y los costos de producción. Es por esto que un tema de mucha importancia es el desgaste y duración de la herramienta bajo las distintas condiciones de trabajo. 3.1. Desgaste de la herramienta La vida de la herramienta de corte puede terminar por varias causas, pero éstas pueden separarse en dos grupos principales:

a. El desgaste progresivo de la herramienta. b. Fallas mecánicas que lleven a la herramienta a un final prematuro.

El desgaste progresivo de la herramienta se puede producir de tres maneras distintas:

33


Desgaste por abrasión: ocurre cuando materiales más duros que la herramienta

toman contacto con ésta rayándola y desgastándola. Desgaste por adhesión: como en la zona de corte existe una alta temperatura, el

material de corte y la herramienta se sueldan y, al separarse, parte de la herramienta se desprende.

Desgaste por difusión: se produce a partir del aumento de temperatura de la herramienta, con lo que se produce una difusión entre las redes cristalinas de la pieza y la herramienta, debilitando la superficie de la herramienta.

El desgaste se puede observar en dos regiones de la herramienta, la cara y el flanco. El desgaste en la cara se presenta como un cráter, lo que es un resultado del paso de viruta caliente al fluir a lo largo de la cara. Por otro lado, el desgaste del flanco es plano y es causado por el roce entre la pieza y la herramienta; en este caso se pueden distinguir tres períodos de desgaste en la vida de una herramienta:

Fractura inicial, el filo agudo se desportilla rápidamente. Desgaste progresivo uniforme. Fractura rápida, el desgaste progresa a una tasa creciente.

Gráfica de desgaste del flanco de la herramienta

34


Desgaste en la cara y el flanco de una herramienta en una operación de mecanizado Las fallas mecánicas se pueden producir en cualquier momento, debe existir por lo tanto precaución ante el hecho de usar inadecuadamente un avance o encaje demasiado grande, pues al ocurrir una falla de este tipo, la herramienta será inútil inmediatamente, y su costo no es nada de despreciable. 3.2. Criterios de duración de una herramienta El criterio de duración de una herramienta permite obtener un valor mínimo de tiempo de vida para la herramienta antes de que se desgaste. Como en las operaciones de mecanizado el desgaste del cráter y del flanco no son uniformes a lo largo del filo principal, se debe especificar la locación y el grado de desgaste permisible para cada caso.

Herramienta ya desgastada

35


Dada la figura de arriba, la profundidad del cráter (KT) es medida desde el punto más profundo de éste. También puede apreciarse que el desgaste del flanco es mayor en los extremos del filo principal. Como el desgaste no es uniforme en las zonas C, B y N, se considera un ancho promedio para la zona central, cuyo valor se estima igual al ancho que existe en la parte más uniforme del desgaste y se denomina VB. 3.3. Criterios para reemplazar una herramienta Los criterios recomendados por la ISO para definir la duración efectiva de una herramienta son:

Para herramientas de acero rápido o cerámica: Por rotura. Cuando VBpromedio = 0,3mm. Cuando VBmáx = 0,6mm.

Para herramientas de carburo cementado:

Por rotura. Cuando VB promedio = 0,3mm. Cuando VBmáx = 0,6mm. Cuando KT = 0,06 + 0,3 · f, donde f es el avance.

3.4. Duración de la herramienta La duración de la herramienta se define como el tiempo de corte requerido para alcanzar un criterio de duración de la herramienta. La velocidad de corte es el factor más significativo que afecta la duración de una herramienta. Ésta, junto con el material de trabajo, el material y la forma de la herramienta son claves en la estimación de la vida de esta última. La relación entre el tiempo de vida y la velocidad de corte de una herramienta está dada por la siguiente ecuación, llamada, en honor a su creador, ecuación de Taylor:

En donde:

n → constante que depende del material de la herramienta. V → velocidad de corte. Vr → velocidad de corte de referencia. tr → duración de referencia de la herramienta a velocidad de corte Vr . t → vida (duración) de la herramienta a velocidad de corte V.

36


En la gráfica siguiente se muestran los valores de Vr, según el material de la herramienta y la dureza del material de la pieza a mecanizar, para el uso de la ecuación de Taylor. Para utilizar esta tabla debe usarse ya sea la dureza Brinnel o la resistencia a la tracción del material a mecanizar, así como el material de la herramienta. Con estos datos se puede ver un pequeño rango de valores para Vr, teniendo en cuenta que en este caso tr es de 60 segundos.

Por otro lado, y como ya se dijo, n es una constante que depende del material de la herramienta. El rango de valores recomendados para n se muestra en la siguiente tabla:

Material de la herramienta Valor de n HSS ( acero rápido ) 0,08 - 0,2 Carburo cementado 0,2 - 0,49

Cerámica 0,48 - 0,7 Finalmente, en la gráfica de abajo se muestra como varía la vida de la herramienta para distintas velocidades de corte. Podemos ver que a medida que aumentamos la velocidad disminuye la vida de la herramienta, y viceversa. Esto debe tomarse en cuenta a la hora de la selección de la velocidad de corte, ya que con una mayor velocidad aumentaríamos la productividad, pero al mismo tiempo “consumiríamos” más herramientas, incrementando los costos.

37


Relación de Taylor para la vida de la herramienta 4. Acabados superficiales Los factores a determinar en una operación de mecanizado son:

a. El avance. b. La velocidad de rotación del husillo. c. El encaje axial.

La variación de estos factores nos determinará la calidad superficial obtenida en la operación. Es por esto que el requerimiento de calidad superficial será lo que nos determine el valor de estos factores. Por ejemplo, para una buena calidad superficial se requiere de una velocidad de corte alta, un avance pequeño y baja profundidad de corte. La nomenclatura de las distintas calidades superficiales es:

Nomenclatura Calidad superficial ∇∇∇∇ Muy buena, en la práctica no hay requerimientos de tanta calidad ∇∇∇ Buena, bastante común ∇∇ Regular, bastante común ∇ Mala, no es usada

La aspereza superficial conlleva ciertas variables de interés, las cuales son:

Rt → Altura máxima de la rugosidad. Ra → Rugosidad media aritmética. Rms → Rugosidad media geométrica.

Los valores comunes para Ra se presentan en la siguiente tabla:

38


Operación Ra (µm) Rectificado 0,05 → 2,5

Torneado herramienta diamante 0,1 → 1,0 Fresa y torno convencional > 1,0

Para casos particulares se usan valores dados de Ra o Rt, sacados de tablas específicas dada una calidad superficial esperada. 4.1. Operaciones en torno En el torno, el acabado superficial depende del avance (f) y del radio de la herramienta (r). Se definen dos criterios:

r · 8f

= R2

t (1)

rf

· 0,032 = R2

a (2)

Donde f es el avance y r es el radio de la herramienta. De tablas, y dada una calidad superficial, se obtiene el Rt o Ra, y luego de la ecuación (1) o de la (2) se despeja el avance. Para obtener el encaje axial, si éste no está dado, se puede usar la siguiente relación en el caso de desbaste:

4 · f < ap < 10 · f (3) Se recomienda usar,

ap = 5 · f Para obtener la velocidad de corte usaremos, por el momento, la ecuación de Taylor. Para determinar la velocidad de rotación del husillo se tiene la siguiente ecuación:

ww n ·d · = V π (4) Finalmente, no debemos olvidar de chequear si la potencia del torno es suficiente para la operación, considerando una eficiencia de un 70% para éste. La tabla de abajo muestra una combinación de avances y encajes axiales, para hacernos una idea de los rangos en los cuales debemos trabajar.

39


Terminación f (mm/rev) ap (mm) Super acabado 0,05 → 0,15 0,25 → 2,0

Acabado 0,1 → 0,3 0,5 → 2,0 Desbaste ligero 0,2 → 0,5 2,0 → 4,0

Desbaste 0,4 → 1,0 4,0 → 10,0 Desbaste pesado ≥ 1,0 6,0 → 20,0

Ejemplo de algunos cálculos para una operación de torneado: Realizar una operación de torneado a un acero aleado de dureza Brinell 300. La terminación superficial requerida es Ra=5,8µm. El radio de la herramienta es 1,2mm. Se usa una herramienta de carburo, kr=90°, y se pretende una vida útil de 30 minutos. a. Determinación del avance: En este caso no debemos entrar a tablas ya que implícitamente nos dan una calidad superficial ∇∇; con el dato Ra=5,8 µm y la ecuación (2):

rf

0,032 = R2

a

Tenemos que,

f = 0,466 (mm/rev) Si solo nos hubieran dado la calidad superficial ∇∇, de tablas hubiésemos obtenido Rt=25µm, y con la ecuación (1):

r · 8f

= R2

t

Se tiene que,

f = 0,489 (mm/rev) b. Determinación del encaje axial: Se usará:

ap = 5·f = 2,33mm c. Determinación de la velocidad de corte: Como se pretende una vida útil de 30 minutos y usando la relación de Taylor:

40


Con:

n = 0,3 t = 30 minutos Vr = 3 m/s, de tablas tr = 1 minuto

Se obtiene que,

V = 1,081m/s d. Revisión de la potencia: Sabemos que:

Pw = ps·Zw

Con,

Zw = f·ap·Vavm De tablas se obtiene ps, para lo cual necesitamos ac, y tenemos que:

Reemplazando,

Pw = 3521,18W = 4,72hp

4.2. Operaciones en fresa Para la fresa se definen como criterios de elección del avance:

(5) Donde dt es el diámetro exterior de la fresa, Vf es la velocidad de avance y nw es la velocidad de rotación del husillo. El procedimiento para la selección del avance es análogo al visto para el torno.

41


Para el encaje axial existe una relación con el avance por diente. En el caso de desbaste, se puede usar la siguiente aproximación:

0e S · 4 a ≈ (6) La velocidad de corte se calculará mediante la ecuación de Taylor. Para determinar la velocidad de rotación del husillo se tiene la siguiente ecuación:

wt n · d · = V π (7)

Finalmente, no debemos olvidar de chequear si la potencia de la fresadora es suficiente, considerando una eficiencia de un 50%. Ejemplo de algunos cálculos para una operación de fresado: Realizar una operación de fresado de un acero aleado de dureza Brinell 300. La terminación superficial requerida es Ra=5,8µm. Se usa una fresa de acero rápido 47x47x12, y se pretende una vida útil de 600 minutos. a. Determinación del avance: Como nos dan Ra = 5,8µm, y con la ecuación (5):

Y sabiendo que,

b. Determinación del encaje axial: Usaremos:

0e S · 4 = a Como,

c. Determinación de la velocidad de corte:

42


Como se pretende una vida útil de 600 minutos y usando la relación de Taylor:

Con,

n = 0,2 (acero rápido) t = 600 minutos Vr = 0,7 m/s, de tablas tr = 1 minuto

Se obtiene:

V = 0,195m/s Este resultado es solo una aproximación al resultado correcto, pues para la operación de fresado la ecuación de Taylor cambia. Sin embargo, para efectos de este ejercicio se mantiene la ecuación de Taylor inalterada. d. Determinación de la velocidad de rotación del husillo: De la ecuación:

wt n · d · = V π Reemplazando se obtiene,

nw = 79,27 r.p.m. e. Determinación de la velocidad de avance: De la ecuación:

f. Determinación de la potencia de la fresadora: De las ecuaciones:

Pw = ps·Zw

43


Y,

Zw = ae·bw·Vf

Para el cálculo de ps necesitamos acav. Este se obtiene de:

Y de,

2acav = acmax

Reescribiendo,

t

e0cav d

a S = a

Reemplazando:

acav = 0,0204mm De tablas,

ps = 15 GJ/m3.

Suponiendo que la fresa ocupa todo su ancho cortando, bw=47mm y con los datos obtenidos anteriormente,

Pw = 1286,4W = 1,72hp 5. Economía del mecanizado Todo proceso productivo debe tener presente el volumen de producción y los costos de producir este volumen. Cada uno debe decidir si está enfocado a maximizar la cantidad producida, a minimizar costos o a optimizar todo el proceso. Para poder estudiar este problema debemos tener presentes todos los costos y tiempo incurridos en la manufactura de una pieza. Por ejemplo se puede suponer el uso de más de una máquina-herramienta, conocer tiempos de preparación y desgaste de herramientas, considerar o no el almacenaje de productos intermedios (piezas no terminadas), manejar un stock de materias primas, ver el problema de la mano de obra, entre otros.

44


A efectos de cálculos se supondrá que las únicas variables manejables por nosotros son la velocidad de corte y el avance. Se puede asumir que el desgaste de la herramienta, el número de herramientas, etc. son directamente dependientes de estas variables. Como anteriormente describimos, el avance se calcula de acuerdo a criterios de calidad superficial y de potencia máxima (en el desbaste), por lo que la velocidad de corte la calcularemos de acuerdo a criterios económicos. Las distintas variables de interés para los cálculos se enuncian a continuación:

tL → tiempo ocioso. tm → tiempo de mecanizado. tct → tiempo de cambio de la herramienta. Nb → número de piezas mecanizadas. Nt → número de herramientas usadas. Ct → costo de la herramienta. M → costo general por unidad de tiempo, incluyendo mano de obra.

El costo total de producción viene dado entonces por:

(1) Si dividimos por el número de unidades producidas, entonces:

(2) Recordando la fórmula de Taylor para la vida de la herramienta:

Se puede determinar la siguiente relación,

(3) La relación anterior indica que el tiempo total de mecanizado, (Nbtm), debe ser igual al tiempo de vida de una herramienta por el número de herramientas usadas, (Ntt). Para todo proceso de mecanizado el tiempo de mecanizado puede escribirse como:

Vk

= tm (4)

45


La variable k se debe determinar para cada proceso. 5.1. Operaciones con velocidad de corte constante La operación clásica con velocidad de corte constante es el cilindrado. Siguiendo nuestro análisis, en el cilindrado el tiempo de mecanizado está dado por la ecuación:

w

wm n × f

L=t

Y reemplazando nw de la ecuación,

ww n ·d · = V π Se tiene:

(5) De aquí deducimos que el valor de k, en este caso, es:

(6)

Reemplazando,b

t

NN

en la ecuación (2) usando la expresión para tm obtenida de (4) y (6).

Llegamos a la siguiente expresión para el costo de producción en función de la velocidad de corte V:

(7) Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el costo de producción, para esto hacemos:

0 =V C pr

∂∂

Despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para costo mínimo de producción,

(8)

46


El tiempo total de producción está dado por:

(9) Y reemplazando todo en función de la velocidad de corte:

(10) Ahora queremos encontrar la velocidad de corte óptima para minimizar el tiempo de producción, para esto hacemos

0 = V t pr

∂∂

Despejando se obtiene la velocidad de corte óptima para tiempo mínimo de producción,

(11)

Variación del costo de producción para diferentes velocidades de corte De las dos minimizaciones anteriores obtenemos las velocidades de corte óptimas, según dos criterios. Para obtener los tiempos de vida de la herramienta para cada uno de estos criterios, usamos la ecuación de Taylor.

nrr

ncc t ·V = t ·V (12)

47


nrr

npp t·V = ·tV (13)

Despejando y reemplazando en (12) y (13) las respectivas velocidades (8) y (11) obtenemos:

(14)

(15) Cabe señalar que si se escoge la condición de costo mínimo, el tiempo de producción será mayor que el mínimo, y si se escoge la condición de tiempo mínimo, el costo de producción será mayor que el mínimo. Si bien hemos calculado los valores óptimos de la velocidad de corte, éstos nos quedaron en función de ciertos factores cuyo valor no conocemos. Para determinar M, gastos generales por unidad, se usará el siguiente criterio:

Donde Wo es la remuneración del operario por unidad de tiempo y Mt es el costo de la máquina por unidad de tiempo. Estos valores varían según la empresa y máquina usada. El parámetro Mt se calcula de la siguiente forma:

El costo de la herramienta depende de si es reafilable o no, se tiene entonces que: Herramienta reafilable

Herramienta tipo pastilla o plaquita:

48


Para la herramienta tipo pastilla tenemos:

Con todo lo anteriormente descrito estamos en condiciones de determinar la utilidad por unidad de tiempo:

pr

prr t

C - S = P (16)

Donde S es el precio de la pieza. Para un proceso de mecanizado se pueden calcular velocidad y tiempo para eficiencia máxima. Éstos se obtienen maximizando la utilidad por unidad de tiempo. Si se reemplaza el costo y tiempo de producción, derivando e igualando a cero se obtiene:

(17)

(18) 5.2. Operaciones con velocidad de corte variable El ejemplo clásico de estos procesos es el refrentado. En él, la velocidad de corte varía linealmente con el radio instantáneo de corte. Podemos deducir que el desgaste será máximo en la periferia de la pieza e irá decreciendo a medida que el proceso continúa.

Refrentado El incremento en el ancho de la zona de desgaste del flanco (VB) durante el mecanizado de cada pieza es (VB)o. Así,

49


(19) Donde (VB)m es el ancho de la zona de desgaste cuando la herramienta debe reafilarse. Como,

( )t

V = t'

V mBB

∂∂

Despejando t y reemplazando en la ecuación de Taylor,

(20)

(21) Con,

r n 2 = V sπ (22) t' fn -r = r so (23)

Donde ns es la frecuencia rotacional del husillo, ro es el radio exterior de la pieza y r es el radio instantáneo al momento del corte. Además t’ representa el tiempo. Reemplazando en (21) e integrando,

(24) Además se tiene de (23) que:

t' f n- = r s ∂∂

50


Despejando,

f nr -

= t' s

∂∂ (25)

Reemplazando (25) en (24) y evaluando la integral, llegamos finalmente a la ecuación siguiente (26):

El tiempo de mecanizado será:

(27) La velocidad óptima de rotación del husillo para el costo de producción mínimo se obtiene reemplazando (26) y (27) en (3), llegando a:

(28) Donde,

o

ir r

r = a

La vida para el costo mínimo de producción es:

(29) Igual que para velocidad de corte constante. Hay que tener presente que aquí se obtiene la velocidad óptima para la velocidad de rotación del husillo de la máquina-herramienta y no la velocidad de corte. Al igual que tc, la vida para tiempo mínimo de producción (tp) y la vida para eficiencia máxima (tef) son idénticas a las para velocidad de corte constante. Sin embargo, la velocidad correspondiente al husillo debe obtenerse de:

51


(30) Donde Vc,p,ef es la velocidad de corte para una operación de corte de velocidad constante correspondiente a una vida tc, tp o tef. 5.3. Operaciones con corte intermitente En la operación de fresado, el filo está en contacto con la pieza sólo una porción del tiempo total de mecanizado. Los tiempos de vida de la herramienta calculados anteriormente son válidos para este proceso. Sin embargo, la ecuación de Taylor debe ser corregida por un factor Q. Así, la velocidad de corte está dada por:

(31) Según cada criterio se usa la velocidad y el tiempo correspondiente. El coeficiente Q varía según el proceso, a continuación se muestran los coeficientes para el fresado tangencial, fresado frontal y fresado frontal-tangencial: Fresado tangencial

(32)

52


Fresado frontal

(33) Fresado frontal-tangencial

(34) 6. Diferentes tipos de mecanizado no tradicional 6.1. Mecanizado por procesos mecánicos 6.1.1. Mecanizado hidrodinámico (HDM) El funcionamiento de este sistema, también conocido como water-jet, se basa en el corte debido a la acción de un delgado chorro de agua (0,5mm) o un fluido acuoso con aditivos. Este flujo es expelido a través de una tobera a una alta presión (más de 690Mpa) y gran velocidad chocando contra el material y cortándolo por efectos erosivos. El agua es comprimida mediante un intensificador hidráulico y posteriormente es llevada a un estanque de almacenamiento para evitar pulsaciones en el flujo. Desde este estanque se extrae el fluido necesario para el trabajo de la máquina. Bajo la pieza maquinada debe existir un sistema de drenaje para eliminar el agua ocupada. En la figura siguiente se puede ver un esquema de una máquina de este tipo.

53


Esquema de flujo en el mecanizado hidrodinámico

Detalle de boquilla y chorro de agua En la figura de arriba se aprecia la posición y distancia a la pieza a la que se debe encontrar la tobera de modo de producir una delgada franja de corte. Las toberas se fabrican con materiales muy duros debido al desgaste al que se ven sometidas. También se han desarrollado estas puntas de toberas en forma de pastillas intercambiables fabricadas con carburo de tungsteno o con recubrimientos especiales. La vida útil de estas pastillas fluctúa entre 250 y 500 horas. Para controlar el funcionamiento de estas máquinas existen sistemas de trazado óptico y también sistemas de control numérico. En general la tobera se mantiene fija y la mesa de trabajo se mueve para lograr las diversas formas de corte.

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Aplicaciones En general se usa este sistema para obtener cortes limpios, precisos y fríos en materiales blandos y suaves, generalmente planchas que pueden estar apiladas. La calidad superficial obtenida y el acabado en los bordes son buenos. La velocidad de corte y la capacidad de cortar materiales más duros, como el acero se ha visto aumentada en la medida en que se mejora la tecnología, permitiendo en el chorro velocidades y presiones mayores. 6.1.2. Mecanizado ultrasónico (USM) También llamado Mecanizado ultrasónico abrasivo, este método remueve material de la pieza dejando una forma específica en ella. Esto ocurre cuando la herramienta vibra, al penetrar la pieza, a altas frecuencias en un medio abrasivo, en línea con su eje longitudinal. El fluido abrasivo es recirculado desde la zona de corte y en este camino se enfría.

Esquema de funcionamiento del mecanizado ultrasónico

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Como material para las herramientas suele usarse acero, acero inoxidable tipo AISI 303, molibdeno y otros. En general se prefieren materiales dúctiles. La forma de la herramienta es importante para optimizar la vibración y evitar que la herramienta absorba energía. La forma de la punta también influirá en la distribución del material abrasivo contra la pieza trabajada. Esta punta nunca toca la pieza, sólo mueve el material abrasivo que remueve el material. En cuanto a los materiales abrasivos, se usan partículas extremadamente duras como diamante, nitruro cúbico de boro, carburo de boro, carburo de silicio y óxido de aluminio. Entre ellos el carburo de boro es el más usado. El equipo en sí tiene distintas variantes, existen dispositivos que pueden ser usados en otras máquinas herramientas, actuando como cabezas cortantes. También existe la posibilidad de usarlos en tornos como una variante de la herramienta de corte tradicional, aumentando la versatilidad de dicha máquina. La potencia de estos equipos fluctúa generalmente entre 200 y 2400W, la potencia influye sobre el área máxima de la herramienta a utilizar y por ende, en la cantidad de material removido. La fuente de vibración en estos sistemas convierte potencia de baja frecuencia (60Hz) en potencia de alta frecuencia (20.000Hz). Los elementos más importantes del transductor son un electromagneto y una pila de placas de níquel, cuya longitud varía en respuesta al campo magnético alternado. Aplicaciones

El mecanizado ultrasónico es apropiado para materiales blandos y duros de todo tipo, metálicos, no metálicos, cerámicos o compuestos.

Se usa para producir perforaciones, cavidades y formas irregulares cuya complejidad sólo está limitada por la variedad de formas disponibles para las herramientas.

La razón de profundidad-diámetro es baja, generalmente de 3:1. Dependiendo del abrasivo se pueden procesar materiales como el carburo de

tungsteno, cerámicas de alta densidad, duros compuestos sinterizados, piedras preciosas, minerales, etc.

6.1.3. Mecanizado ultrasónico rotatorio (RUM) Este sistema combina la vibración axial a altas frecuencias (20kHz) con la rotación a velocidades de alrededor de 5000rpm. Esta combinación se usa para mejorar el desempeño del taladrado, corte, fresado o roscado de materiales que muestran dificultades en el mecanizado normal. A diferencia del mecanizado ultrasónico, en el RUM se usan herramientas de diamante que tienen contacto directo con la pieza maquinada. En cuanto al equipo usado, éste se parece bastante al del sistema USM, pero no requiere ningún sistema de recirculación del líquido abrasivo. Existen equipos en una variada gama de configuraciones y también se fabrican compactos equipos portátiles.

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Roscado ultrasónico Aplicaciones Actualmente las aplicaciones de este procedimiento están limitadas por el tamaño de la herramienta. Ésta no puede ser muy grande ni muy pesada, ya que debe tener una frecuencia natural de oscilación de aproximadamente 20kHz. Al aumentar el peso o tamaño, esta propiedad se ve afectada y la herramienta pierde su capacidad oscilatoria. En general materiales como el aluminio, compuestos de boro, cuarzo, circonio, rubí, se pueden trabajar perfectamente con RUM. En especial los materiales compuestos y los sinterizados encuentran una mejor forma de mecanizado con este sistema, ya que generalmente se los maquinaba antes del cocido, en que siempre se producen encogimientos que afectan la calidad dimensional final de la pieza. Se obtienen excelentes resultados en la perforación de agujeros profundos de pequeño diámetro en materiales duros, verificándose aumentos en la velocidad de corte y en las condiciones de operación en general. En el roscado se mantiene estática la herramienta y se hace girar la pieza alrededor de ella a una velocidad de 4rmp. El mecanizado ultrasónico rotatorio tiene importantes aplicaciones en campos de alta tecnología, como por ejemplo electrónica, sistemas láser, materiales para reactores nucleares, perforado de materiales compuestos para la aviación, prototipos y modelos en materiales duros, etc.

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6.1.4. Mecanizado asistido por medios ultrasónicos (UAM) Para aumentar la velocidad de corte y la capacidad de mecanizado de materiales duros en las máquinas herramienta tradicionales, se han ideado sistemas que añaden vibración a los portaherramientas y taladros convencionales. Aplicaciones del torno En el torno este sistema permite maquinar materiales que bajo condiciones normales presentan serios problemas, como mulita de baja densidad. En algunos materiales se ha conseguido disminuir las fuerzas de torneado en un 30-50%, con una notoria mejoría en la calidad del acabado, condiciones de corte y formación de viruta. Bajo ciertas condiciones el torneado ultrasónico ha mostrado que puede aumentar las razones de corte con factores de cuatro en aluminio, dos a tres en aceros y aleaciones de titanio y de cinco en acero ESR 4340. Estas condiciones también se ven mejoradas en el mecanizado de materiales no metálicos como el silicato de magnesio que ve aumentada su velocidad de corte en cuatro veces.

Torno con herramienta de ultrasonido Aplicaciones en el taladro En algunos casos la aplicación de esta tecnología al taladro, reduce el torque y las fuerzas en la herramienta. El esfuerzo de corte bajó en un 30% en el caso del cobre y acero y en un 54%

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al maquinar titanio. El torque experimentó reducciones de 25% en el caso de acero, 50% para titanio y 65% para aleaciones de aluminio. La viruta es removida con mayor eficiencia, reduciéndose las retracciones periódicas de la broca. Por ejemplo al taladrar titanio se logran profundidades del orden de dos a cuatro veces el diámetro de la broca, añadiendo vibración, esta relación se duplica. Por otra parte se ha determinado experimentalmente que la broca muestra un desgaste parejo del filo principal cuando se usa la vibración ultrasónica, cuando no se usa el desgaste se concentra en la periferia externa de la broca. 6.1.5. Mecanizado Electromecánico (EMM) El mecanizado electromecánico es un proceso no tradicional que se encuentra aún en una etapa experimental y mejora las capacidades de operación de máquinas tradicionales como el taladro y el torno. La forma en que se procede es la normal usando herramientas y máquinas convencionales, pero la pieza de trabajo se polariza electro-químicamente. Se aplica un voltaje en la interfase entre la pieza a mecanizar y un electrolito. En el torneado, la superficie de la pieza se mantiene mojada con el electrolito y en operaciones de taladrado, la pieza se sumerge en el electrolito. El principio en que se basa el mecanizado electromecánico es la serie de características que adquiere la superficie a mecanizar cuando se controla el voltaje aplicado. Al ejercer un acabado control sobre las variables que afectan al proceso, se puede lograr que la superficie del material cambie desde un estado pasivo, con una capa de óxido en la superficie, a un estado activo de lenta disolución o reducción de hidrógeno, en que la superficie descarga iones de hidrógeno. De acuerdo a este fenómeno se puede aprovechar el hecho de que los materiales duros se cortan con mayor facilidad cuando su superficie se encuentra en la región de disolución activa, en la cual el material se suaviza. Por otra parte los materiales más blandos se cortan más fácilmente cuando la superficie de la pieza es pasiva. En este estado la superficie se endurece por la presencia de la capa de óxido, que además reduce la fricción durante el corte. 6.2. Mecanizado por procesos eléctricos El incremento en la utilización en la ingeniería de materiales duros, de alta resistencia mecánica y a la temperatura, ha requerido el desarrollo de técnicas nuevas de mecanizado. Aunque la mayor parte de estos nuevos procesos han sido desarrollados para este tipo de materiales, algunos han encontrado aplicación en la producción de formas complejas y de cavidades en materiales más blandos y más fáciles de mecanizar. En este capítulo estudiaremos algunos de los nuevos procesos de mecanizado, en los cuales la energía eléctrica es usada como primera fuente de energía para remover material. Esto elimina la conversión ineficiente de potencia eléctrica en potencia mecánica que caracteriza a

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los procesos convencionales de mecanizado. Además se atenúa o elimina el roce y el desgaste de herramientas. Las ventajas más notables de este tipo de procesos son, por tanto, que el material de la herramienta puede ser más blando que el material de trabajo, y que el valor óptimo para la remoción por unidad de tiempo del material de la pieza es independiente de su dureza. La limitación más importante de los procesos de electro-mecanizado es que el material de trabajo debe ser conductor de electricidad. 6.2.1. Mecanizado electroquímico (MEQ) El mecanizado electroquímico (MEQ) es un proceso en el cual se utiliza la acción electrolítica para disolver el metal de la pieza. Es, en efecto, el proceso inverso de la galvanoplastia. La siguiente figura muestra este proceso. En este caso, la pieza (la cual debe ser un conductor de electricidad) es colocada en un tanque ubicado sobre la mesa de la máquina y conectada al terminal positivo de una fuente de corriente continua. El electrodo herramienta, que tiene la forma de la cavidad requerida en la pieza, se monta en el portaherramientas y se conecta al terminal negativo de la fuente. Un electrolito fluye a través de la separación entre la herramienta y la pieza y es recirculado hacia la zona de trabajo, bien sea a través de la herramienta o externamente, dependiendo de la aplicación.

Configuración del mecanizado electroquímico La acción de la corriente que fluye a través del electrolito es la de disolver el metal del ánodo, es decir, de la pieza. La resistencia eléctrica es pequeñísima (y por lo tanto la corriente es elevadísima) en la zona en donde la herramienta y la pieza están más próximas. Como el metal de la pieza es disuelto más rápidamente en esta zona, la forma de la herramienta es reproducida en la pieza.

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No existe contacto entre la pieza y la herramienta, y cualquier tendencia del metal de la pieza a recubrir la herramienta (el cátodo) es contrarrestado por el flujo del electrolito, el cual remueve el metal disuelto de la zona de trabajo. Por consiguiente no existe desgaste de la herramienta ni se deposita el material de la pieza sobre la herramienta, de tal forma que una herramienta puede producir un gran número de componentes durante su vida útil. El voltaje y la corriente son constantes en el proceso de mecanizado electroquímico. El electrolito proporciona el medio para que se produzca la electrólisis y remueve el calor generado en la zona de trabajo, fluyendo en una cantidad tal que permita evitar que el líquido alcance su punto de ebullición. En lo que se refiere a su naturaleza química, el electrolito debe ser suficientemente activo para ocasionar una remoción eficiente del material y no debe ser muy corrosivo, pues sino deterioraría las partes de la máquina que entren en contacto con él. La salina (solución de cloruro de sodio en agua) es el electrolito más comúnmente usado. La velocidad de avance está en directa relación con la densidad de corriente: a mayor densidad de corriente, más elevada es la velocidad de mecanizado. La densidad de corriente está limitada tanto por la capacidad de la fuente como por la capacidad del material de la pieza, del material de la herramienta y del electrolito para conducir la corriente. La corriente no debe ser tan elevada como para generar calor excesivo. Si la densidad de corriente permisible para un trabajo específico es menor que las capacidades de la máquina y de la fuente, debe considerarse la posibilidad de mecanizar dos o más piezas simultáneamente. En esta forma se puede utilizar la máquina en toda su capacidad y los costos generales por componente se mantienen a un nivel bajo. La remoción de metal por unidad de tiempo más elevada que se ha obtenido en aplicaciones industriales es de alrededor de 0,08 µm3/s. El material no se afecta térmicamente ni se inducen esfuerzos residuales en la superficie trabajada. El poco calor que se genera proviene de la resistencia eléctrica, y la temperatura se controla dentro de valores inferiores al punto de ebullición del electrolito. Está demostrado que si la velocidad de avance aumenta, el ancho de la separación disminuye. Una separación menor entre la herramienta y la pieza implica una precisión mayor en la reproducción y por consiguiente a una velocidad de avance elevada (y por lo tanto una remoción de material elevada) se obtiene una mayor precisión. Las aplicaciones principales del mecanizado electroquímico corresponden al mecanizado de materiales duros, tales como los que se utilizan cuando se presentan temperaturas de servicio elevadas, porque en estas superficies logra una mayor remoción que los otros sistemas. Sin embargo, en materiales blandos puede utilizarse para la producción precisa de formas complejas. El MEQ ha sido utilizado con éxito mecanizando agujeros pasantes (por trepanación), agujeros ciegos con superficies laterales paralelas, cavidades conformadas y también para corte de discos metálicos y mecanizado de formas externas complejas.

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Torneado electroquímico Esta es una aplicación especial del sistema descrito anteriormente en que la herramienta puede ser aplicada a una pieza mientras esta gira (ver figura 43). Mediante este sistema se pueden hacer operaciones de refrentado y corte periféricos, obteniéndose buenos resultados de rugosidad superficial.

Equipo de torneado electroquímico Mecanizado electrolítico con tubos de formas específicas Este es un proceso de perforado desarrollado por la división de aviación de General Electric, es una variación del mecanizado electroquímico y se usa para hacer agujeros de diámetros pequeños, entre 0,64 y 6,35mm. Se aplica en materiales conductores eléctricos, generalmente aleaciones duras, difíciles de mecanizar con métodos convencionales. Como en el mecanizado electrolítico normal, en este proceso se usa un herramienta cargada negativamente, un electrolito y una pieza cargada positivamente. La principal diferencia reside en el electrolito, que en este caso es ácido. El material de la pieza es disuelto e incorporado al electrolito, evitando que interfiera con la perforación en curso. Debido a las características del electrolito, los electrodos deben ser tubos de pequeño diámetro, resistentes al ácido y recubiertos para su aislamiento. De este modo se logra que

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sólo el extremo expuesto desarrolle el corte de material. El electrolito es bombeado a través del tubo y escurre por la pequeña separación entre el electrodo y la pieza. Se pueden usar distintos electrodos simultáneamente, que son introducidos en la pieza en proporción a la velocidad de remoción de material, manteniendo una separación constante. Con este sistema se pueden perforar agujeros de hasta 610mm de profundidad, con relaciones profundidad-diámetro de hasta 300:1, en materiales como aceros inoxidables de las series 300 y 400, aleaciones y aceros para herramientas, aleaciones de inconel, tungsteno, níquel, etc. Electro-Stream (ES) Este proceso permite el perforado de agujeros de diámetros entre 0,2 y 1,02 mm mediante el empleo de una tobera de vidrio con un cátodo metálico en su interior, que proyecta contra la pieza a mecanizar un chorro de electrolito ácido. De este modo, en el punto de impacto, el material cargado positivamente se disuelve incorporándose al electrolito, evitando que este material removido interfiera con el corte en curso. En general se puede mecanizar cualquier material conductor de electricidad, pero el sistema se usa para perforar materiales duros, aceros inoxidables de la serie 300 y aleaciones de incolloy, inconel, etc. Los orificios pueden tener profundidades de hasta 19mm usando voltajes altos, con relaciones de profundidad-diámetro menores de 50:1. Como en el sistema descrito en el punto precedente se pueden hacer hasta 100 perforaciones simultáneamente. 6.2.2. Rectificado por descarga electroquímica En este sistema una corriente continua pulsada, o corriente alterna pasa desde una rueda de grafito a la pieza que se quiere mecanizar, estando ésta cargada positivamente. Entre la rueda y la pieza se bombea un electrolito, sin existir contacto directo entre ellas. Sin embargo se produce cierta fuerza de separación debido al electrolito que es comprimido entre las dos partes. La mayor parte del material es removido por acción electroquímica, los óxidos que se producen como resultado de este proceso son removidos eficientemente por descargas eléctricas. Para ello se requiere de corrientes de alta intensidad y bajo voltaje. Un detalle sobre la forma en que se remueve el material puede verse en la figura de abajo, allí se muestra la interacción entre la rueda de grafito y la pieza.

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Remoción de material en el rectificado por descarga electroquímica

Las máquinas de este tipo se fabrican generalmente a pedido, siguiendo las especificaciones del cliente, usando materiales plásticos y acero inoxidable para minimizar la corrosión. El rango de intensidad de corriente puede variar entre 20 y 1000A. Aplicaciones Las aplicaciones de esta técnica son un tanto limitadas, sin embargo es usada en forma casi rutinaria en algunas aplicaciones como para pulir y afilar herramientas de carburo de tungsteno. Casi cualquier material conductor puede ser mecanizado usando este sistema, pero no necesariamente es mejor que otros métodos que deben ser evaluados antes de tomar una decisión. Se obtienen tolerancias de alrededor de 0,03mm. Otras aplicaciones en que el sistema ha mostrado éxito son el pulido y afilado de pastillas de herramientas, obtención de perfiles delicados, pulido de materiales tipo panal. 6.2.3. Rectificado Electrolítico El rectificado electrolítico es una modificación del proceso de MEQ descrito anteriormente. Como se ve en la figura, el electrodo herramienta es una muela abrasiva, generalmente una muela de diamante con aglutinante metálico, que puede conducir la electricidad. El electrolito es suministrado entre la muela y la superficie de la pieza en la dirección del movimiento de la periferia de la muela para que sea removido de la zona de trabajo por la rotación de la muela. Las partículas abrasivas ayudan a mantener una separación constante entre la muela y la pieza. La corriente fluye entre la muela, la cual está conectada al terminal negativo, y la pieza, que está conectada al terminal positivo de una fuente de corriente continua.

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Esquema general del proceso de rectificado electrolítico La remoción de metal ocurre entonces de dos maneras: por remoción electrolítica y por abrasión mecánica. Sin embargo, la primera remueve aproximadamente el 90% del total de material en la práctica. Esto reduce el desgaste de la muela a una cantidad despreciable y esto hace posible rectificar materiales duros muy rápidamente. En la aplicación del rectificado electrolítico, el área de contacto entre la pieza y la muela debe ser lo más grande posible, de tal manera que exista una alta remoción de metal con una corriente dada. El rectificado electrolítico ha sido empleado con éxito en el rectificado de materiales duros conductores de la electricidad. Uno de los casos más notables de éxito lo constituye el rectificado de herramientas previstas con pastillas de carburo, en donde la ausencia de fracturas residuales del rectificado en el extremo afilado y la gran remoción de material por unidad de tiempo constituyen una gran ventaja. En el afilado de las herramientas de carburo se han obtenido acabados superficiales del orden de 0,1µm. 6.3. Mecanizado por procesos térmicos Los procesos térmicos de mecanizado no tradicional se caracterizan por las altas temperaturas que son desarrolladas y por las altas densidades de energía con que se trabaja. Generalmente afectan al material en términos físicos y metalúrgicos mucho más comparados con otros métodos no tradicionales de mecanizado. Sobre este tema se ha investigado en los últimos años para lograr un mayor conocimiento sobre las variables que controlan los procesos que afectan al material. 6.3.1. Láser Desde la invención de la tecnología láser hace más de treinta años hasta la actualidad se han desarrollado diversas técnicas que han permitido su aplicación en las más diversas áreas. De

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este modo existen hoy en día diversos tipos de láseres que se usan en medicina, informática, meteorología, defensa, arte, metrología, materiales y manufactura, etc. En esta última área, las altas densidades de potencias que han logrado los láseres en los últimos años han permitido el procesamiento en la industria metalúrgica, compitiendo con oxicorte y soldadura-plasma. Esta misma característica hace posible el soldado de materiales híbridos compuestos por metales, cerámicas y vidrios. Así se hace evidente que esta tecnología no sólo reemplaza otras técnicas, sino que permite el desarrollo de tecnologías completamente nuevas. En el procesamiento industrial de materiales se destacan: corte, ranurado o prepicado, grabado, taladrado de agujeros pequeños, doblado, soldadura, tratamientos superficiales, remoción de suciedad y pintura en objetos delicados. Los materiales en que estas aplicaciones se ven cada vez con mayor frecuencia son plásticos, madera, cuero, cerámica, acero, aluminio, aleaciones de titanio y magnesio, etc. Las principales ventajas prácticas del láser en aplicaciones industriales son :

El láser puede ser conducido a través de distancias relativamente largas, sin presentar mayores pérdidas de potencia. La energía no requiere para su transmisión un medio ni contacto físico.

Puede ser dividido en varios haces de menor potencia, permitiendo operaciones simultáneas.

No emite rayos X y no es afectado por interferencia magnética ambiental. El haz puede ser conducido mediante espejos a distintos lugares. Gran cantidad de calor es focalizada en una pequeña área, mucho más que con

cualquier método convencional, afectando sólo a la zona seleccionada, con una pérdida de material casi nula.

Importante reducción de la zona térmicamente afectada, en procesos de corte y soldadura de metales.

Pueden ser integrados a un sistema CNC para facilitar y optimizar su uso. Inicio y detención instantánea del proceso, ya que la luz no tiene inercia. La pieza en proceso no necesita estar firmemente sujeta. No se disparan esquirlas ni virutas a gran velocidad. Las características de operación permiten el uso de analizadores y sensores para

controlar la calidad del proceso y del haz en tiempo real. Aspectos físicos del láser El acrónimo L.A.S.E.R. proviene de los términos Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Este tipo de luz está compuesta por fotones que viajan en el espacio en la misma dirección, con idéntica longitud de onda (luz monocromática) y están en fase entre sí. En general la emisión de radiación lumínica es un fenómeno que consiste en la excitación de una molécula o átomo haciéndolo subir a un nivel cuántico superior de energía, mediante un estímulo externo (campo eléctrico, magnético, reacción química). La molécula en cuestión

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tiende a volver a su estado de equilibrio después de retirado el estímulo, emitiendo una cantidad de energía electromagnética con una longitud de onda dada por la diferencia de energía entre el estado excitado y el fundamental. La frecuencia en que es emitida la onda es propia del material y su correspondiente grado de excitación. El tiempo que tarda en volver a su estado fundamental es probabilístico, tal como el número de moléculas que se encontrarán en un estado particular de excitación. La probabilidad está sujeta a una distribución exponencial según la fórmula de Bolzmann, la que depende de la temperatura absoluta, el nivel energético del estado de excitación y algunas constantes. En el caso del láser, la emisión de ondas es estimulada y puede ser amplificada. El proceso de estimulación ocurre cuando un fotón, al pasar por una molécula excitada, hace que esta baje su nivel de energía emitiendo otro fotón de igual frecuencia, moviéndose en el mismo sentido, dirección y en fase con el primero. De esta manera, cuando los dos fotones recién creados pasan por otro átomo excitado, estimulan la emisión de un tercer fotón. Si el tren de fotones creados en la materia excitada llega al borde del medio, lo abandona. Si por el contrario, se hacen pasar los fotones repetidamente por el mismo camino, entre dos espejos paralelos, manteniendo el medio excitado entre ellos, se obtiene un haz de fotones de igual frecuencia viajando en la misma dirección colinealmente. Si además los espejos se instalan a una distancia tal que sea un múltiplo de la longitud de onda emitida, se obtiene una onda estacionaria en el espacio entre los espejos y un haz de fotones que además están en fase. En la figura de abajo se muestra un esquema de la forma en que las partículas son excitadas, produciéndose la reacción en cadena y la luz láser.

Reacción en cadena y producción de la luz láser

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Si se mantiene la excitación del medio en un nivel tan estable como para que no se despueble antes de formarse la onda estacionaria, y lo suficientemente inestable como para permitir a algún fotón desencadenar la reacción en cadena en la dirección axial de los espejos, empieza la formación de luz láser entre los espejos, hasta que algún medio de absorción balancee la energía de excitación transformada en luz. Para utilizar el haz se hace que uno de los espejos presente una transparencia del orden del 70%, así la energía emerge a través de él. El frente de onda así logrado es plano, lo que permite conducir la luz láser como un rayo recto hasta el punto de aplicación. El motivo por el cual no se usa sólo luz blanca, que es más fácil de generar reside en que la luz monocromática cuenta con las características requeridas de direccionalidad y monofrecuencia. La luz blanca está compuesta por un continuo de frecuencias o colores, por este motivo, si su enfoca uno de ellos, los otros estarán desenfocados. Si se filtra la luz se puede enfocar mejor, pero mientras más monocromático sea el filtro, más energía se pierde por absorción o reflexión. Por este motivo es mucho más eficiente generar luz monocromática en forma directa. Tipos de láser A pesar que desde 1917 ya se tenían las principales bases teóricas para la construcción de un láser, los primeros progresos se vieron dificultados por motivos técnicos, como la falta de precisión y alineación de espejos. Sólo en la década del `60 se dio inicio a una espiral creciente de interacción entre láser adecuado, nuevas aplicaciones, láser más perfeccionado, etc. Un importante avance en este sentido fue el láser de rubí desarrollado por Maiman en 1960. De acuerdo a las aplicaciones buscadas y el medio técnico de lograr la producción de la luz láser, aparecieron las más diversas formas y variantes de producción. Los distintos equipos se diferencian por ejemplo por emitir luz en frecuencias fijas o variables, emisión continua o emisión pulsada, potencias altas, medias o bajas. También se hacen diferencias entre láseres según el medio de excitación que utilicen.

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Longitud de onda y potencia de distintos tipos de láser En la industria se usan principalmente cuatro tipos, el láser de CO2, el excímero, el Nd:YAG y el de rubí. Los láseres de CO2 presentan la más alta eficiencia eléctrica, del 5-15%, refiriéndose a la conversión de energía eléctrica a luz láser. Este tipo de láser ha encontrado diversas aplicaciones industriales desarrollando potencias de hasta 45kW. El láser de rubí proporciona grandes potencias, pero tiene un elevado costo. Se usa principalmente cuando una gran cantidad de material debe ser removida en un solo pulso. Los láseres de excímero tienen baja eficiencia (2%), pero son capaces de producir agujeros y ranuras de gran calidad, gracias al proceso denominado cold cutting. Mediante este proceso la materia es removida en forma explosiva, sin aumentos de temperatura, ya que aplica energías tan grandes que rompen los enlaces atómicos o químicos de algunos materiales. El láser Nd:YAG produce longitudes de onda pequeñas, esto permite que pueda ser enfocado en puntos muy pequeños, haciendo posible el micromecanizado. Usando este láser se pueden perforar agujeros de hasta 0,05 mm de diámetro. Dadas además estas características de onda, el haz puede ser guiado por medio de fibra óptica hasta su punto de aplicación.

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A continuación se señalan distintas aplicaciones del láser y los tipos de láser que las cubren:

Aplicación Tipo de láser

Corte

Metales Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, rubí Plásticos Co2 oc

Materiales cerámicos

Co2 op

Perforado Metales Co2 op, Nd:YAG, Nd:vidrio, rubí

Plásticos Excímero

Marcación

Metales Co2 op, Nd:YAG Plásticos Excímero

Materiales cerámicos

Excímero

Tratamientos de superficies metálicas

Co2 oc

Soldado Co2 op, Co2 oc, Nd:YAG, Nd:vidrio, rubí

(Nomenclatura: oc → onda continua; op → onda pulsante; Nd:YAG → Neodymium-doped:yttrium-aluminum-garnet)

Interacción del láser con la materia Todos los materiales son sensibles a la radiación electromagnética, respondiendo de tres modos básicos a su incidencia. Estos modos son reflexión, transmisión y absorción. Si se suman las potencias individuales de estas respuestas, se debe llegar a una cantidad igual a la de la potencia incidente. La longitud de onda de la radiación influye en el grado de transparencia relativa de los objetos. Por ejemplo, para un láser de CO2 con una longitud de onda de 10,6µm, objetos como el vidrio o el polietileno son opacos. Mientras mayor sea el número de electrones libres en la periferia, como es el caso de los conductores eléctricos, los materiales tenderán a ser más reflectivos. Esto se debe a que sus electrones libres absorben y reemiten la energía incidente, sin alterar la estructura cristalina subyacente. Para poder procesar el material se busca una gran absorción de energía por parte de éste, ya que esta energía tiende a destruir la red cristalina localizadamente. Dependiendo de la densidad de energía, condiciones de operación y el material en cuestión se logrará el procesamiento de éste por vaporización, fusión, reacción o degradación química o bien por fractura controlada. En el caso de altas potencias, sobrepasado el punto de vaporización, se puede lograr la formación de plasma en la zona de corte. En la figura de abajo se aprecia la forma en que interactúa el cabezal de corte con la herramienta, en este caso se trata de un láser de CO2.

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Cabezal de cortadora láser 6.3.2. Mecanizado por arco de plasma Por plasma se entiende el gas que ha sido calentado a una temperatura lo suficientemente alta como para ionizarse parcialmente y por ende conducir electricidad. La temperatura del plasma puede llegar a unos 27.800°C, aprovechándose de diversas formas para el maquinado de metales conductores. Básicamente se genera un chorro de plasma, comprimiendo un arco eléctrico a través de una tobera de pequeña sección transversal. Durante la compresión la temperatura y el voltaje aumentan en forma considerable. Al abandonar la tobera, el arco se convierte en un chorro columnar de plasma de alta velocidad, a una alta temperatura.

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Corte por arco de plasma El aumento de temperatura en la pieza procesada se debe a la recombinación de moléculas disociadas, la transferencia de energía de electrones y a la corriente de convección debida a la alta temperatura del plasma. En algunos casos se inyecta oxígeno al área de trabajo para aprovechar la reacción exotérmica producida. Las condiciones de corte y vida de la tobera también pueden ser mejoradas si además se produce un flujo de agua alrededor del arco. Aplicaciones Se puede cortar una amplia gama de metales conductores en diferentes modalidades. Se pueden cortar planchas, pilas de planchas, se pude trabajar en un torno, maquinando la pieza mientras está rota. Se pueden biselar los bordes de planchas para prepararlas para un posterior soldado. También se pueden perforar agujeros con mayor velocidad que con métodos convencionales. En general las condiciones de corte, velocidad y calidad superficial obtenidas dependen de la corriente del arco, su duración, flujo de gas, composición del gas y de la forma de la tobera y su separación del material a cortar. En cuanto al equipo utilizado, se parece al equipo utilizado para el trabajo con oxígeno-acetileno. Existen en forma compacta para su uso manual y también en plataformas de trabajo con controladores NC, CNC, y con sistemas de control óptico.

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A continuación se enumeran algunas características del trabajo hecho con esta tecnología:

Se pueden hacer cortes rectos usando el sistema con flujo de agua. Se obtienen cortes de alta calidad, con un costo menor que el equipo de oxígeno-gas. La posición de corte puede variarse ampliamente. Las formas de corte pueden ser variadas, aumentando la versatilidad de su uso. Los electrodos son estandarizados y de fácil cambio cuando se gastan.

Los cables y tubos que son usados por el equipo son mínimos y permiten libertad de movimientos. En la siguiente tabla se muestran algunas velocidades de corte para distintos materiales:

Material Espesor

(mm) Corriente del arco

(A) Velocidad de corte

(mm/min)

Acero Inoxidable 75 800 380

130 1000 150

Aluminio 75 900 760

180 1000 180 Bronce 13 400 1780 Titanio 13 400 2285

6.3.3. Mecanizado por haz de electrones Este sistema usa esencialmente energía eléctrica para generar energía térmica para la remoción de material. Un generador produce una corriente pulsante a alta velocidad. Esta corriente es enfocada por campos electrostáticos y electromagnéticos para concentrar la energía en una zona muy pequeña del material trabajado (puntos de hasta 0,05mm de diámetro). La velocidad que alcanzan estas emisiones puede superar a la mitad de la velocidad de la luz, de modo que la energía cinética de las partículas es alta. Esta energía se transforma en calor que funde o evapora el material en forma localizada. El proceso debe ser llevado a cabo en vacío para prevenir la colisión de los electrones con moléculas de gas y para prevenir reacciones como la oxidación en la pieza trabajada. También se debe considerar que el operario debe usar protección de plomo para protegerse de las emisiones secundarias de radiación X. En la figura siguiente se puede ver un detalle del proceso de mecanizado.

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Haz de electrones actuando sobre la pieza Las características del proceso están determinadas por las siguientes variables:

Parámetros del haz de electrones:

Potencia total. Densidad de potencia. Duración del impacto.

Parámetros del material:

Capacidad calórica. Puntos de fusión y evaporación. Conductividad de calor.

En general se requiere de múltiples pulsos para llegar a la forma y dimensiones requeridas. También se puede manipular el punto de enfoque alterando los campos magnéticos que lo controlan. Estas secuencias y alteraciones requieren ser repetidas desde cientos a miles de veces. La repetibilidad del procedimiento se hace posible mediante el uso de sistemas de control numérico. En cuanto al equipo usado, incluye un sistema óptico que permite al operador ver la zona de trabajo y controlar con precisión el punto de aplicación de haz, usando aumentos de hasta cuarenta veces. Por otro lado cabe destacar que las características de esta tecnología la hacen apropiado para su uso con sistemas de control numérico.

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Configuración general de máquina de haz de electrones Aplicaciones Todos los materiales, metálicos y no metálicos que puedan existir en el vacío pueden ser mecanizados mediante esta técnica. Se pueden perforar agujeros con relaciones de profundidad diámetro de 100:1. Las principales limitaciones del sistema son el alto costo del equipo y las restricciones de espacio debidas a la cámara de vacío. Algunas aplicaciones específicas son, entre otras, perforaciones en inyectores para motores diesel, orificios en válvulas, microperforaciones para máquinas de producción de fibras sintéticas. Esta técnica se aplica con éxito en la fabricación de sistemas de control diferencial de presión en los cuales se necesita la perforación de orificios con gran exactitud dimensional, que controlan la cantidad de gas que fluye a través de ellos en un determinado lapso de tiempo. 6.3.4. Mecanizado por electro-descarga El mecanizado por electro-descarga, o mecanizado por chispas, se fundamenta en el efecto erosivo de una chispa eléctrica sobre los electrodos utilizados para producirla. Se ha demostrado que la mayor erosión se produce en el electrodo positivo, es por esto que la pieza es conectada como polo positivo y la herramienta como polo negativo, con el fin de obtener una máxima remoción de material.

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Mecanizado por electro-descarga La figura de arriba ilustra este tipo de proceso. La pieza se coloca sumergida en un tanque lleno con fluido dieléctrico. Este fluido es circulado a presión por una bomba a través de un agujero en el electrodo herramienta. Un servomotor controla el avance vertical de la herramienta, y mantiene a ésta a una distancia de entre 0,025 y 0,05mm de la pieza. Cuando en principio se suministra potencia no hay flujo de corriente, solo cuando el voltaje alcanza un cierto nivel salta la chispa, se ioniza el fluido dieléctrico y luego comienza el ciclo nuevamente, desionizándose el fluido y haciéndose aislante nuevamente. De esta forma se obtiene una rápida sucesión de chispas, el intervalo entre dos chispas sucesivas es del orden de 100µs. Cada chispa genera una temperatura muy elevada, de unos 12000ºC, en su vecindad inmediata. Esta temperatura evapora en parte el fluido dieléctrico y funde y vaporiza el metal formando así un cráter pequeño sobre la superficie de trabajo. Así se va logrando un efecto continuo, moviendo la herramienta con el motor sobre la pieza. Este último tiene una resistencia variable que le permite mantener la distancia a la pieza constante, detectando posibles cortocircuitos o cambios bruscos de voltaje. Como se presumirá, la herramienta sufre un desgaste importante. El desgaste elevado de la herramienta tiene como consecuencia un mecanizado poco preciso. Sin embargo, y para no exagerar los costos, ya que las herramientas deben ser precisamente mecanizadas, para propósitos generales se usan el latón o el cobre como materiales para las herramientas. Cuando debe minimizarse el desperdicio de electrodos se utilizan ventajosamente el grafito de cobre y el carburo de tungsteno, pues cuanto más elevado sea el punto de fusión de la herramienta, menos se erosionará. Los fluidos dieléctricos comúnmente usados son el aceite de parafina y el aceite para transformadores. Estos dos fluidos están constituidos por hidrocarburos y se ha demostrado que el hidrógeno en estos fluidos desempeña el papel de agente desionizante, lo que permite al fluido recuperar sus características después de cada descarga. El fluido dieléctrico debe

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mantenerse como no conductor hasta que ocurra su ruptura; cuando se alcance el voltaje crítico, su capacidad de aislamiento debe romperse e igualmente debe desionizarse rápidamente. El calor latente de vaporización debe ser elevado para que se vaporice solo una pequeña cantidad y la chispa sea confinada a un área pequeña. El dieléctrico debe poseer una viscosidad baja que le permita fluir fácilmente y remover en forma eficiente los glóbulos metálicos que se forman en la zona de trabajo. Antes de recircular el dieléctrico es necesario filtrarlo para remover las partículas metálicas producidas en la operación. La superficie que se obtiene por el mecanizado por electro-descarga posee una apariencia opaca, debido a los bombardeos de pequeñas partículas y a los cráteres esféricos producidos. El acabado carece de orientación y se han logrado asperezas menores a 0,25 µm. La remoción de metal por unidad de tiempo depende principalmente de los parámetros eléctricos, sin embargo, una remoción de metal por unidad de tiempo baja implica un mejor acabado superficial. La duración de las chispas afecta la cantidad de metal removido, y si el tiempo de descarga es muy corto, la herramienta se desgasta excesivamente y se reduce la precisión del proceso. La precisión del proceso está íntimamente relacionada con el ancho de la separación entre la pieza y la herramienta; mientras más pequeña sea dicha separación mayor es la precisión, pero una separación pequeña implica un voltaje de trabajo menor y una remoción por unidad de tiempo menor. El mecanizado por electro-descarga tiene su mayor aplicación en la construcción de herramientas; particularmente en la manufactura de herramientas para troqueladoras, dados de extrusión, dados para forja, y moldes. Después de haber sido endurecidos, los dados o herramientas pueden ser mecanizados mediante este proceso, lográndose una gran precisión. El acabado obtenido por este proceso retiene muy bien el aceite, por lo que este método se utiliza también en la terminación de piezas y metales de motores de combustión interna. Corte por electro descarga con alambre Una variante del mecanizado por electro-descarga, es el corte por electro-descarga con alambre, en el cual el electrodo es un alambre de pequeño diámetro. El alambre es alimentado por un rollo y pasa a través de la pieza cortándola por erosión de chispas. Para controlar la forma del corte se mueve el tablero de trabajo, mediante sistemas NC.

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Corte por electro-descarga con alambre

El alambre se usa sólo una vez, ya que se daña y produciría un corte poco preciso en la segunda pasada. La zona de corte es enfriada mediante el rociado con un fluido dieléctrico, muchas veces agua desionizada. Viéndose desde arriba, se puede apreciar la forma en que se produce el corte. El ancho de este corte es igual al diámetro del cable más un sobrecorte.

Vista superior de la zona de corte Las aplicaciones de este sistema también están restringidas a los materiales conductores de electricidad. Se usa en materiales duros para fabricar moldes de estampado con significativos ahorros. También se usa en la manufactura de prototipos y moldes. En el campo de la fabricación de herramientas de corte para tornos, este sistema ha mostrado ventajas en relación a los métodos tradicionales como el rectificado y pulido.

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6.4. Mecanizado por procesos químicos El factor común entre todos los procesos químicos para remover material, es el uso de soluciones ácidas o alcalinas para disolver el material no deseado, dejando la configuración o patrón deseado. Sin embargo existen diferencias entre las distintas técnicas que se usan para la remoción de material por medios químicos. Enmascaradores y Protectores (Maskants - Resists) Los enmascaradores y protectores son recubrimientos barnices usados para proteger áreas del material que no deben ser expuestas a la acción de los materiales corrosivos y también para definir las áreas que deben ser atacadas por los químicos. Los enmascaradores y protectores se clasifican en tres categorías: enmascaradores cut and peel, protectores fotográficos, y enmascaradores de trama (screen resists). Enmascaradores cut and peel Este tipo de enmascaradores es usado casi exclusivamente para el fresado químico en la industria aerospacial, en partes de misiles y piezas estructurales, se aplican por rociado, inmersión o son esparcidos en espesores de 0,2 a 0,38mm. El exceso de protector se remueve cortándolo y descascarándolo. Para aumentar la precisión se usan plantillas. Con este sistema se pueden lograr profundidades de hasta 12,7mm. Después de que una porción ha sido atacada por el corrosivo, se puede remover otra parte del protector, de modo de obtener formas escalonadas. Protectores Fotográficos Estos protectores permiten generar superficies resistentes a la acción de los corrosivos mediante técnicas fotográficas. Al ser revelados después de ser expuestos a través de un negativo de alto contraste, estos materiales reproducen una imagen del mismo negativo. Existen protectores para trabajar con positivos o con negativos y se usan con distintos propósitos. Los positivos e usan para la fabricación de tramas, enrejados y semiconductores. En general, estos protectores se caracterizan por ser muy delgados, producir un buen detalle y ser sensibles a la luz. El uso de los fotoprotectores exige un manejo cuidadoso en un ambiente limpio y presentan mayor dificultad para el mecanizado escalonado. En la figura siguiente se muestra el proceso de recubrimiento con protector fotográfico y la forma en que el corrosivo ataca al material. Para los otros protectores o enmascaradores, el proceso es similar, difiriendo en la aplicación y remoción parcial de la protección.

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Uso de fotoprotector Enmascaradores de trama Estos protectores se aplican a través de un tamiz de poliéster o acero inoxidable, con una imagen grabada. El grabado de esta imagen se logra con medios fotográficos, pero la técnica no es tan precisa como la de fotoprotectores, pero es mejor que al usar protectores cut and peel. La resistencia química de estos protectores es mayor que la de los protectores fotográficos, pero inferior que la de los enmascaradores cut and peel. El uso de los enmascaradores de trama es apropiado para producir rápidamente un gran número de piezas con una exactitud moderada. Corrosivos y su selección La selección del medio que atacará químicamente al metal (también llamado aguafuerte) depende de diversos factores como:

a. Material que será atacado. b. Tipo de enmascarador o protector que se usará. c. Profundidad de ataque. d. Acabado superficial requerido. e. Daño potencial a las cualidades metalúrgicas del material. f. Velocidad esperada de remoción de material. g. Ambiente de trabajo. h. Economía de mecanizado.

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6.4.1. Fresado químico Este proceso se usa para dar forma a metales con una tolerancia exacta, dada por la remoción química del material. La cantidad de metal removido, o la profundidad de corrosión del material se controla de acuerdo al tiempo que se sumerge la pieza en la solución corrosiva. Las partes que no deben ser afectadas por el solvente se protegen con los protectores y enmascaradores antes mencionados. La protección del metal que no debe ser atacado se realiza siguiendo los siguientes pasos: se limpia la superficie, se recubre con el barniz protector, se recorta el exceso de protector, se aplica el aguafuerte y finalmente se retira el enmascarador. Aplicaciones

El fresado químico se usa para retirar una capa competa de material de piezas irregulares, como fundiciones, piezas forjadas o extruidas.

Para reducir el espesor de piezas que ya han sido mecanizadas con otros métodos. Para obtener figuras y formas específicas, posibilitando la realización de numerosos

detalles en una sola pieza solidaria. Remoción de la capa descarburizada en piezas forjadas. Mejoramiento de la calidad superficial. Eliminación de irregularidades e imperfecciones en piezas fundidas. Mejorar la calidad superficial y control dimensional en fundiciones de aluminio.

6.4.2. Mecanizado fotoquímico Con este proceso se fabrican piezas de diversas formas complejas mediante acción química en materiales metálicos y no metálicos. En general el sistema consiste en colocar imágenes resistentes a la acción de los corrosivos sobre planchas de metal y someterlas a la acción del solvente, que disolverá todo el material, excepto la parte protegida. La mayoría de las piezas fabricadas de esta forma se parecen a las logradas mediante el estampado, siendo planas y de formas complejas. Aplicaciones Esta técnica permite diversas aplicaciones ya que cuenta con especiales ventajas. Entre ellas se pueden nombrar:

Trabajos en materiales extremadamente delgados, cuando hay limitaciones de precisión y manejo con métodos tradicionales.

Trabajos en materiales muy duros, que de otra manera quedarían con tensiones residuales, eventuales fracturas o grietas.

Producción de piezas que no puedan tener ningún tipo de rebaba. Producción de partes de formas complejas eliminando los costos de un molde.

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Manufactura de partes de corta vida útil, aprovechando los escasos costos de puesta en marcha y corto tiempo desde la impresión hasta la producción. Esto es de interés para modelos o piezas para investigación.

En la siguiente figura se pueden apreciar las distintas etapas por las que pasa el metal hasta que la pieza está terminada.

Etapas en el mecanizado fotoquímico 7. Manufactura. Tipos 7.1. Manufactura flexible La tecnología de manufactura flexible es una gran promesa para el futuro de la manufactura. Beneficios potenciales son el mejoramiento en calidad, la reducción en costos e inventario, y un mejor manejo de los productos. Esta tecnología puede dividirse en dos segmentos:

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Flexible Manufacturing Systems (FMS, sistemas flexibles de manufactura) y Flexible Manufacturing Cells (FMC, celdas flexibles de manufactura). 7.1.1. Flexible Manufacturing Systems Un FMS tiene varias definiciones, debido a que la gente trata de describirlo desde su propia perspectiva. A un nivel superior, un FMS es una colección de FMC. También puede ser un grupo de máquinas manufactureras dedicadas a un solo propósito, proveyendo flexibilidad debido tanto a el flujo variable de material entre estaciones como a las diferentes combinaciones de usar estaciones de operaciones simples. En ambos casos, el resultado final es la capacidad de manufacturar piezas o ensamblados usando el mismo grupo de máquinas. Una línea de producción con uso y operación variable de las estaciones puede funcionar como FMS. Es por esto que la manufactura flexible describe cualquier grupo de máquinas o centros con el objeto de mover material entre ellos. El sistema completo está manejado por computadores, los cuales pueden manufacturar colectivamente diferentes partes y productos desde el inicio al final. A pesar de que el acrónimo FMS es considerado en parte genérico, muchos otros términos y acrónimos son usados para describir esta clase de equipamiento para manufactura: CIMS (Computer Integrated Manufacturing Systems), CMPM (Computer Managed Parts Manufacturing), VMM (Variable Mission Manufacturing), por ejemplo. Las máquinas herramientas usadas en FMS usualmente son centros de mecanizado CNC, pero también pueden usarse otros equipos, como estaciones de inspección o de ensamblado, e incluso equipamiento para acabado superficial. El concepto FMS de manufactura está caracterizado por la capacidad de integrar estaciones de trabajo, manejo automático de materiales y control computacional. El uso de FMS conlleva el uso de otros sistemas, como son la tecnología de grupo (GT, Group Technology), que permite clasificar piezas con características de fabricación similares, la tecnología JIT (Just In Time, justo a tiempo), que permite que las materias primas lleguen al lugar indicado en el momento preciso, los sistemas MRP (Material Requirements Planning, planeación de requerimientos de productos), donde el material entrante es seleccionado para llegar al lugar correcto a la hora indicada, y finalmente los sistemas CAD, con el fin de permitir el uso de datos y especificaciones milimétricas del diseño en la programación de máquinas de control numérico (NC) e inspección automática. Los sistemas FMS son más caros que los sistemas FMC, y asimismo son más difíciles de entender. Los sistemas FMS no son totalmente flexibles, debido a que están limitados al porte cúbico y forma general de las partes. Por lo tanto, una planta que esté operando con el concepto FMS debe poseer múltiples FMS para hacer todas las partes para un ensamble complejo. El concepto de manufactura enfocada puede permitir a muchas plantas pequeñas producir un tipo simple de producto. El concepto FMS es visto por muchos expertos como, al menos, una solución parcial al problema de producción de mediano volumen, la cual alcanza a nivel de países

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industrializados al 40% de la producción total. Los productos hechos en masa alcanzan solo el 25% del total. La tabla 1 muestra una comparación de realidades a este respecto.

Producción de

partes Producción

en lotes Producción

en masa

Volumen anual de producción 1 a 10000 5000 a

200000 más de

100000

Motivación primordial Capacidad Flexibilidad Volumen

Costo por parte Muy alto Bajando Mínimo

Herramientas de corte Estándar Algunas

especiales Personaliza

das

Manejo automático de partes Raro En alguno

casos Siempre

Flexibilidad para hacer

partes:

Totalmente diferentes

Si Posible Imposible

Similares, poco diferentes

Si Si, si estaba

planeado Muy

limitada

Posibilidad de cambiar materiales Si Limitada Extremada

mente limitada

Posibilidad implementación gradual Si Posible Difícil

Máquinas herramientas recomendadas CNC Centro CNC,

FMC, FMS Líneas de

producción

Aplicaciones típicas Aviación, moldes y

herramientas

Agricultura, motores y

maquinaria todo tipo

Industria automotriz,

distintas aplicaciones

Comparación de sistemas de máquinas herramientas para producción a distintos volúmenes

Una representación gráfica de flexibilidad en la producción versus capacidad de producción para FMS, así como para otros sistemas, puede verse en el siguiente gráfico:

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Comparación manufactura flexible

El concepto FMS es más aplicable en procesos de familias de partes, o piezas de volumen medio de producción como ejes, bloques de motor, etc. La mayor parte de las instalaciones FMS actualmente en operación se emplean para manufacturar partes prismáticas que requieren operaciones de taladrado, fresado, ranurado o torneado. Al usar FMS se reducen los costos de mano de obra directa, pero aumentan los de mano de obra indirecta, debido al mayor nivel de complejidad del hardware. También se reducen los tiempos de producción, debido a la mayor eficiencia de uso de las máquinas, la cual puede alcanzar el 85%, valor considerado excelente. Existe con FMS una posibilidad de acomodar cambios en el volumen de partes, mezclar productos y hacer cambios en el diseño, sin tener grandes problemas. Debido a la mayor velocidad de procesamiento de las partes, se puede reducir notablemente el inventario, especialmente si se usan los sistemas JIT y MRP. La administración de la planta se simplifica con FMS al tener el control principal un computador, el cual puede manejar pequeños cambios o denunciar fallas. De esta manera se facilita el sistema de control gerencial. La justificación de costos de un FMS puede subdividirse en los costos de adquisición y los costos de operación. Los costos de adquisición deben realizarse una sola vez, e incluyen la preparación del lugar físico, el costo del equipo, el diseño del sistema y la preparación inicial de los operadores. Los costos de operación son comparables a los costos de otros tipos de plantas e incluyen programación de uso, mantención, reprogramación y actividades de control de calidad actual y bajo posibles nuevas normas. El valor de un FMS descansa en sus aplicaciones, y puede ser extendido u optimizado si un sistema así es adecuadamente integrado a maquinaria convencional, la cual constituye la corriente principal del ambiente manufacturero actual. Errores en la aplicación se producen en gran parte debido a la falta de visión económica, ya que para implementar el sistema debe tenerse claro cuáles son los

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objetivos finales. Redefinir los proyectos es permitido y fomentado, pero uno debe tener claro que ese tipo de redefiniciones significara mayores gastos. La tendencia actual es a usar diseños más modulares, los cuales permitan a los fabricantes de máquinas herramientas tener algunos de los módulos básicos de funciones preconstruidos, o a usar piezas y subensambles más comunes, con el fin de disminuir los tiempos de entrega. Al planear la instalación de un sistema FMS, es necesario ceñirse a un modelo de implementación preexistente, el cual puede ser enfatizado en alguno de sus puntos por alguna empresa en particular; sin embargo, la experiencia ha demostrado que ninguno de los pasos puede saltarse por completo. Este modelo se presenta a continuación:

a. Definir qué se va a producir y si la planta y el personal está capacitado para eso. b. Establecer familias de partes entre los productos o componentes. c. Determinar el volumen a producir en el corto plazo (el primer año). d. Pronosticar el volumen a producir a 10 años plazo. e. Analizar con profundidad las capacidades del personal, sus contratos y un futuro jefe

del proyecto. Tras estos primeros cinco pasos se podrá asegurar si la empresa es candidata a usar un sistema FMS o no. Si lo es, la información obtenida será de gran importancia al implementar el resto del programa.

f. Analizar ofertas de equipos y sistemas, elegir con ayuda pagada la mejor opción. g. Hacer una evaluación general del proyecto, incluyendo los costos. Los sistemas pueden

costar de uno a veinte o más millones de dólares. h. Mandar a pedir (comprar) el sistema. i. Anticipar la puesta en marcha, tanto dentro como fuera de la planta, hablando con

proveedores y distribuidores. j. Desarrollar las rutinas del sistema, establecer mantenciones, preparar el área de

instalación y visitar al constructor del sistema, con el fin de chequearlo y mostrarlo a sus futuros operarios

k. Instalar el sistema. l. Realizar post auditorías o revisiones periódicas, tanto con el constructor como con los

operarios, con el fin de comprobar si los planes originales se están cumpliendo a cabalidad.

La implementación de un sistema FMS debería cumplir con algunas especificaciones, y aunque éstas no son absolutamente necesarias, se aconseja su uso:

Se deben establecer caminos para desarrollar subsistemas comunes de control de estadísticas, administración de mantención, de tal manera que éstos estén integrados con los otros subsistemas.

Se debe usar un software común para integrar los sistemas actuales.

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Se debe usar convenciones (software) comunes para las interfaces hombre/máquina, de tal manera que los operadores, inspectores y mantenedores usen el mismo procedimiento al interactuar con todas las máquinas.

Se debe usar una base de datos administrativa. Se debe usar equipamiento computacional común para la información gráfica y de

texto. Las especificaciones de control de programación deben estar estandarizadas con el fin

de incorporar interfaces comunicacionales con los proveedores y distribuidores. El uso de robots se ha intensificado últimamente, a tal punto que hoy son vistos simplemente como máquinas herramientas CNC, que son incorporadas a FMSs y FMCs. Cuando son apropiados, los robots se usan para el manejo de materiales, fijación de piezas en las máquinas y otros procesos que son hechos mejor por el robot que por una máquina CNC dedicada. Muchos distribuidores de FMS proveen los robots como parte integral de los sistemas, y en esto hay que tener precaución, pues los robots no son siempre compatibles. El software y hardware FMS deben trabajar juntos en tiempo real, y una simulación es una buena manera de asegurar que esto ocurra. Debe existir primero una planeación de la capacidad de la planta para así, conociendo la demanda y las condiciones de operación, diseñar una estrategia que permita una adecuada base para la fase de planeación del MRP. Éste, basado en los inventarios que maneja, desarrolla un programa de entrega de productos. El CAPP también ofrece ayuda a la hoja de ruta de un producto, incluyendo los estándares de tiempo directo del diseño, permitiendo la viabilidad de la integración con los sistemas CAD / CAM. Debe existir, por tanto, un programa computacional de tiempo real que vaya comprobando la ejecución de las funciones encomendadas, y que reconozca errores de tal manera de no mandar materiales a una máquina que esté fallando. Las herramientas de simulación han ido creciendo en importancia al ayudar a planear, diseñar y administrar FMSs. Solo utilizando las capacidades de un computador para modelar distintos escenarios y configuraciones puede un planificador estar seguro de seleccionar la más efectiva solución para las necesidades particulares del sistema. Existen dos tipos de programas que realizan simulaciones: Los de simulación discreta y los de simulación continua. Los primeros sirven para hacer simulaciones gerenciales de una planta, vale decir, simulan cuánta materia prima entra y cuántos productos salen en determinado período de tiempo de cada máquina. Con ellos se puede hacer un layout de toda la planta, pero no se ven los cambios dentro de cada una de las máquinas. En cambio, los simuladores continuos muestran operaciones específicas, pues se pueden hacer layouts de movimientos en particular, por ejemplo la programación de una pieza. De esta manera, los simuladores discretos permiten analizar la factibilidad de lograr cierta producción en determinado período de tiempo maximizando el uso de las máquinas, y los simuladores continuos permiten detectar inconvenientes particulares, así como los tiempos exactos de mecanizado para así determinar también los costos exactos de cada operación. El manejo de herramientas es otro aspecto que ha ido adquiriendo importancia en los FMSs que cortan metales. No tener operadores que vigilen las operaciones de corte implica tener sensores automáticos de quebrazón de herramientas, de tal manera de detectar problemas

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cuando éstos ocurran. El uso de herramientas de calidad es esencial en las operaciones de precisión. Esto además aumenta la productividad y flexibilidad de un sistema FMS de varias maneras, pues usando portaherramientas adecuados se aumenta la repetibilidad de uso de una máquina, especialmente con el uso de máquinas programables. Este es el caso de los centros de mecanizado, los cuales pueden realizar operaciones de torneado y fresado, usando los magazines de herramientas adecuados. Hoy en día estos magazines pueden cargar 90 o más herramientas. Los requerimientos del sistema de control de un FMS son mucho más que simples máquinas NC. La necesidad de lograr coordinación e integración en todos los aspectos de las operaciones de manufactura incluye sistemas de manejo de materiales, máquinas manufactureras, equipamiento de inspección, de recolección de datos y de reporte. Las necesidades de información de estos equipos debe ser manejada por sistema de control del FMS. El control de la producción de un FMS es hecho por una jerarquía de computadores, empezando en los más altos niveles con los sistemas controladores de la planta, manejados por un sistema MRP. Esto provee de la necesidad de fabricar productos. Las órdenes de alto nivel son llevadas a controladores de celda, los cuales traducen la información y se la envían a las máquinas NC u otras. La jerarquía de control se divide en tres niveles de control:

El programador dinámico, el cual determina el nivel de producción inmediato de cada pieza para así aprovechar al máximo la capacidad cambiante del sistema.

El secuenciador de procesos, el cual determina el detalle del movimiento interno de piezas. Para achicar el número de posibilidades a evaluar en este nivel, algunos de los conflictos interdependientes son resueltos en un nivel menor por un mecanismo más rápido, para determinar el tiempo de mecanizado.

La asignación de recursos dinámicos, o nivel de comunicación, el cual transmite las decisiones y recibe información de los controladores de las máquinas. Una parte de este nivel está a cargo de juntar datos estadísticos, monitorear las opciones del sistema y proveer servicios de aplicación en el momento oportuno. Un procesador de eventos coordina las actividades generales en el controlador.

La operación de un FMS es relativamente simple. Típicamente, un FMS es programado para operar de acuerdo a objetivos predefinidos; por ejemplo, la optimización del flujo de materiales o la maximización de uso de las estaciones. El computador central selecciona una pieza específica para ser mecanizada de acuerdo a los programas de producción almacenados en su memoria. La lleva, la fija en la máquina y luego ejecuta el primer programa de mecanizado, y así sucesivamente. Grabados en el mismo computador se encuentran los pasos para todos los procesos de las distintas piezas, de tal manera que sea él quien discierne cuál será la máquina que empezará a mecanizar tal o cual pieza. Asimismo será él quien tome las decisiones de cuando una máquina deja de operar, ya sea por ubicación o por tiempo. De esta manera, las piezas viajan simultáneamente por el sistema en orden aleatorio, parando sólo en estaciones seleccionadas. Cuando el procesamiento está completo, las piezas terminadas son enviadas a la estación de carga/descarga, donde son removidas por el operador. Esta es la única operación manual requerida en la operación de un FMS (excluyendo obviamente

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preparación de las herramientas, mantención y monitoreo); todas las otras funciones son automáticas en la mayoría de los casos. 7.1.2. Flexible Manufacturing Cells Un FMC es un grupo de máquinas relacionadas que realizan un proceso particular o un paso en un proceso de manufactura más largo. Puede ser, por ejemplo, una parte de un FMS. Una celda puede ser segregada debido a ruido, requerimientos químicos, requerimientos de materias primas, o tiempo de ciclos de manufactura. El aspecto flexible de una celda flexible de manufactura indica que la celda no está restringida a sólo un tipo de parte o proceso, mas puede acomodarse fácilmente a distintas partes y productos, usualmente dentro de familias de propiedades físicas y características dimensionales similares. Un FMC es un centro simple o un pequeño conjunto de máquinas que unidas producen una parte, subensamble o producto. Una de las distinciones entre una celda y un sistema es la falta de grandes manipuladores de material (como AGVs) entre las máquinas de una celda. Las máquinas en una celda están usualmente ubicadas de manera circular, muchas veces con un robot en el centro, el cual mueve las partes de máquina en máquina. El conjunto de máquinas en una celda se complementa para efectuar una actividad básicamente relacionada, como mecanizado, taladrado, terminación superficial o inspección de una pieza. Un FMS puede contener múltiples celdas, las cuales pueden realizar diferentes y variadas funciones en cada celda o en una máquina o centro en particular.

Celda Flexible Algunos empresarios han manifestado que el primer beneficio de FMC es en el área de control de la producción. Las celdas reducen el tiempo de proceso y el inventario. Además, moviendo varios procesos a una celda, se logra que muchas órdenes de producción se consoliden en una sola orden. De esta manera se programa mejor la producción, así como se disminuyen los movimientos de material, si se usa en conjunto los principios JIT. Las celdas de mecanizado son generalmente más baratas para instalar y desarrollar, permitiendo al usuario implementar tecnología de manufactura flexible de manera gradual. La opinión actual de muchos usuarios de FMC es “más simple es mejor”. Los empresarios manufactureros están implementando celdas flexibles de manufactura, y luego integrando

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las celdas, pero sin las uniones forzadas e interdependencias de un FMS totalmente operativo. Varios usuarios FMS no han logrado nunca una total funcionalidad en sus sistemas, debido a funcionamiento impreciso o falta de comunicación. El software FMS es uno de los más grandes problemas para estos usuarios. Es por esto que la tendencia hoy en día apunta a la implementación de celdas flexibles. Las diferencias entre un FMS y un FMC pueden ser poco claras, debido a que ambas apuntan a un mismo resultado final; sin embargo, el camino es distinto. La implementación de un FMS requiere normalmente de un plan CIM que lo acompañe, mientras que en algunas circunstancias, un FMC simple puede ser planeado e implementado sin completar un plan CIM. El uso de técnicas de simulación, de las cuales ya se habló, hace mucho por prevenir resultados indeseables, sin un mayor gasto de recursos. En la planeación de la instalación de un FMC, varias áreas deben ser tomadas en consideración:

Área de trabajo directo: selección de máquinas que funcionarán sin operador, minimización de tiempos de preparación y tiempo perdido.

Área de trabajo indirecto: inspección, manejo y envíos. Área de máquinas: herramientas, enfriadores y lubricantes. Área de manejo de materiales y papeleo: movimientos de partes, programación de

trabajos, tiempos perdidos. Los programas de simulación para celdas ocupan elementos de ambos tipos de simulación detallados anteriormente, pues en la fase inicial usan una simulación discreta para luego usar una continua. Este tipo particular de simulación se denomina simulación de celda de trabajo. La simulación de celda de trabajo puede ser mejor aprovechada en la etapa de diseño de la celda, con el fin de evitar nuevas revisiones y rediseños. La confianza que se logra en estas simulaciones es alta. El proceso de la celda puede evaluarse tanto por integridad conceptual como por eficiencia. Se pueden efectuar modificaciones importantes de muchas maneras con el fin de encontrar la solución óptima. De todas las capacidades que debe poseer este simulador, una de las más importantes es la de poseer un detector automático de colisiones. El solo hecho de tener esta característica hace ser este programa de concepto una realidad tangible. Otra posibilidad importante es realizar modificaciones a los programas en ambientes simulados, es decir, con el robot moviéndose pero sin las máquinas en su entorno. Más adelante pueden irse ubicando éstas, para finalmente usar el programa con máxima seguridad y confianza. Las celdas flexibles de manufactura tienen dos cosas en común: Las máquinas son operadas por un control común y hay un manejo común de los materiales. El control de las operaciones de los centros de mecanizado son manejados por una unidad central de procesamiento (CPU). Los datos programados son ingresados y modificados, y la ubicación y estado de los pallets es mostrado en tiempo real. La programación de tiempo, el

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número de programas requeridos y el total acumulado de mecanizados incompletos están también a la mano. Algunos controladores también manejan la selección de herramientas, el monitoreo de las condiciones de corte y la generación de rutas óptimas para las herramientas. Funcionalmente, el sistema de control debe ser capaz de lo siguiente:

a. Monitoreo de equipos: Se extiende así la capacidad del operador. b. Monitoreo de alarma: Detecta y reporta condiciones de error, y responde con

acciones alternativas automáticamente. c. Administración de programas: Permite guardado, carga y descarga de programas e

instrucciones para equipos programables o manuales. d. Control de producción: Analiza el trabajo en proceso y optimiza con esos datos el

despacho de piezas terminadas. Las celdas flexibles han encontrado importantes aplicaciones en todo tipo de empresas, logrando mejoras del siguiente orden:

En mecanizado: 30% de disminución en tiempo muerto y un 55 a 85% de aumento en la utilización de máquinas.

Con utilización de robots: Casi 100% de aumento en la producción y un 75% de ahorro en el tiempo de producción.

La necesidad de continuas y largas corridas de productos estándar puede requerir la vuelta al sistema de líneas de producción, sin embargo, la necesidad de programación flexible y dinámica, gran variabilidad de productos y personalización de productos para los requerimientos del cliente, llevará a muchas compañías al uso de celdas o sistemas flexibles de manufactura. Nacidas de la necesidad de competir contra las presiones globales, y hechas posibles por la reestructuración industrial y los rápidos cambios de la tecnología, las celdas flexibles de manufactura están proveyendo soluciones claras a muchos empresarios manufactureros. Muchos observadores de la industria ven con buenos ojos el futuro - un futuro en el que las FMCs no sólo van a solucionar difíciles problemas de manufactura, sino también van a servir como el peldaño a los FMSs, así como a las “fábricas del futuro”. 7.2. Manufactura just in time Just in time (JIT, justo a tiempo) es una filosofía que tiene como su objetivo la eliminación de pérdidas. Las pérdidas pueden ser partes rechazadas, niveles excesivos de inventario, colas interoperativas, manejo excesivo de materiales, tiempos de preparación y cambio muy prolongados, y otras. JIT enaltece la necesidad de hacer calzar la cuota de producción con la demanda actual, y elimina las actividades que no aumentan el valor. La filosofía de eliminación de pérdidas ha probado ser de ayuda virtualmente en todos los tipos de ambientes de manufactura (y de servicio), con la salvedad de que algunos tipos de

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manufactura ofrecen mayores oportunidades que otros. La siguiente tabla lista las mejoras estimadas para distintos tipos de manufactura.

Reducciones

Prod

ucto

s au

tom

otric

es

Impr

esos

Prod

ucto

s de

mod

a

Equi

pos

mec

ánic

os

Com

pone

ntes

elé

ctric

os

Rang

o

Manufactura tiempo perdido

89 86 92 83 85 83-92

Inventario materias primas

35 70 70 73 50

35-73

En proceso 89 82 85 70 85 35-73

Productos terminados

61 71 70 0 100 0-100

Tiempo de Cambio

75 75 91 75 94 75-94

Mano de obra Directa

19 50 5 0

0-50

Indirecta 60 50 29 21 38 21-60

Exenta ? ? 22 ? ? ?-22

Espacio 53 39 ? 80

(Est.) 39-80

Costo de Calidad 50 63 61 33 26 26-63

Materiales Comprados

? 7 11 6 6-11

Capacidad Adicional

36 42 0 0-42

Porcentajes estimados de mejoras para distintas industrias como un resultado de la

implementación de JIT Generalmente, las industrias de proceso (papeleras, industrias químicas y productores de alimentos) plantean un desafío en términos de reducción de tiempo de preparación y mejoras en el flujo del proceso, debido a la naturaleza “conectada” de sus operaciones. Los manufactureros repetitivos y discontinuos (estampado de metales y mecanizado) tienden a abarcar más oportunidades en estas áreas debido a su predisposición a layouts de área funcionales y frecuentes preparaciones de máquinas. Contrariamente, las industrias de proceso generalmente tienen grandes oportunidades en las áreas conectadas con la planeación y obtención de materiales. Estas industrias utilizan regularmente cantidades importantes de materias primas y pueden tener significativas ventajas para negociar con proveedores.

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7.2.1. Temas y Módulos JIT Es ventajoso identificar, para empezar, algunos temas centrales del JIT. Los cinco temas básicos son los siguientes:

I. JIT es una filosofía y un programa continuo. Es extremadamente importante entender que JIT no es un proyecto, porque no tiene fin. Una vez que se han implementado actividades JIT, ellas deben continuar indefinidamente. El ambiente debe ser transformado a uno de mejoras constantes y de administración cooperativa.

II. La importancia de la visibilidad. JIT envuelve una aversión a ocultar problemas. Aumenta la visibilidad de estos problemas reduciendo gradualmente el inventario en proceso, las colas y los tiempos perdidos.

III. Los beneficios de la sincronización, o balance. Este proceso envuelve el calce perfecto de los tiempos de operación a operación durante el curso de la manufactura y las funciones de soporte. La producción ocurre entonces a una tasa común, o al mismo “ritmo de tambor”.

IV. Simplicidad, la visión de que más simple es mejor. Un esfuerzo continuo es hecho para realizar las operaciones requeridas con menos fuentes (tiempo, personal y equipamiento) y de una manera menos complicada.

V. Una aproximación al programa. Debe cruzar las líneas disciplinarias y transar con el proceso de manufactura como un todo, más que con piezas separadas.

Basado en las mejoras hechas a través de la aplicación del JIT, un programa JIT debería incluir los siguientes módulos:

Planificación y fijación. La experiencia con la implementación y el soporte de programas JIT indica que saber qué hacer, cuando hacerlo y que resultados esperar puede llegar solo a través de una planificación cabal e inteligente. También es importante obtener un compromiso administrativo para el programa antes de empezar.

Organización. Un programa JIT debe contar con un adecuado plan que abarque todas las disciplinas de la organización. Además, desde el inicio del programa debe existir un líder fuerte y una comisión de iniciativas para dirigir los esfuerzos del equipo JIT. También debe existir otro grupo de individuos, el cual se dedique exclusivamente a resolver problemas, con personas dedicadas a áreas funcionales específicas.

Conocimiento y educación. La necesidad de conocimiento, educación y preparación no puede ser sobrestimada. La educación y entrenamiento de todo el personal (incluyendo la mano de obra directa) es esencial para la aplicación correcta del JIT. El conocimiento que se pueda adquirir de otras empresas puede ser de gran valor en la implementación de un sistema JIT.

Quehaceres domésticos. Los quehaceres en un ambiente JIT son un esfuerzo por establecer la actitud que cada uno tiene y ser responsable por su equipamiento. El trabajador es responsable de asegurar que las herramientas necesarias están en el lugar correcto, y que esos lugares sean efectivos. La iluminación, calefacción, ventilación y equipamiento (muebles y estantes) debe estar diseñada adecuadamente para minimizar la fatiga y el manejo de los materiales.

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Mejoramiento de la calidad. La filosofía JIT acentúa el hecho de que los trabajadores son responsables de la capacidad y calidad de sus procesos y de inspeccionar el trabajo de la operación anterior. De esta manera, todos los defectos se hacen visibles rápidamente y no se realiza trabajo de más. Pueden existir además dentro del sistema dispositivos detectores automáticos que aseguren que el proceso está produciendo de acuerdo a las especificaciones.

Carga uniforme de la planta. El concepto de carga uniforme de la planta (UPL, Uniform Plant Load) en su nivel más simple es: Si uno vende a diario, fabrica a diario. Cada modelo que se vende es fabricado sobre una base diaria en lotes relativamente pequeños, de tal manera de que las tasas de fabricación calcen con las de demanda. El resultado de la aplicación de UPL es una producción diaria no relacionada con promedios, sino que una fotografía de la demanda diaria dividida por horas de producción diarias.

Flujo del proceso. Los mayores beneficios del UPL pueden ser aprovechados cuando el flujo del proceso es rediseñado. Esto es cierto porque la mayoría de los layouts están diseñados de una manera funcional, como las celdas. La organización de estas celdas individuales puede ser más eficiente y flexible usando modelos tipo U o de serpentín (sucesión de máquinas a la izquierda y a la derecha de un pasillo), para permitir al operador moverse y realizar más operaciones fácilmente. Un principio importante de recordar es que el operador debe estar ocupado, no necesariamente el equipamiento.

Reducción de tiempos de preparación y de cambio. En aquellos casos en que múltiples componentes deben compartir las mismas fuentes de manufactura, la orientación JIT a lotes pequeños y corridas frecuentes lo hará muy importante en la reducción de tiempos de preparación. El tiempo de preparación es aquel lapso entre la producción de la última pieza de un tipo y la producción de la primera pieza de otro. La reducción se refiere a reducción de tiempo, no necesariamente de costo.

El sistema de tiro. El sistema de tiro es el siguiente paso lógico en un programa JIT cuando se han instalado el UPL y el flujo del proceso. El sistema de tiro tiene efectos dramáticos en los niveles de inventario porque no provee de éste mientras no sea requerido. Los sistemas de tiro no permiten producir partes mientras no reciban alguna señal de autorización de la operación subsecuente. Estos sistemas pueden ser de traslape o eslabonados, dependiendo de si reconocen como señal un espacio en blanco o información concreta de otros equipos. Independiente de cual sistema se ocupe, debe existir igual un planificador de fuentes de manufactura (MRP II) que lo complemente. Al final de cuentas, el MRP II es el lado planificador de la producción, y el sistema de tiro del JIT es el lado que ejecuta.

Integración de la red de proveedores. Lograr una relación cercana entre el manufacturero y el proveedor no es nada fácil. Cuando llegue el momento de implementar JIT, es necesario tener claro qué es lo que se quiere, con qué equipos y con qué proveedores. Cuando se tienen claros estos factores, se busca el proveedor que cumpla con las exigencias y se establece un contrato de cooperación preferencial. De esta manera se asegura la calidad del producto recibido y la idoneidad de los proveedores, se revisan los mecanismos de compra (pueden ser incluso automáticos y decididos por el propio MRP II), se eliminan los problemas en las operaciones de compra y se hacen mejoras continuas con el fin de lograr una adecuada estructura de compra que permita tomar ventaja de los cambios.

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7.2.2. Fases del programa JIT Un programa JIT envuelve una serie de fases progresivas: La revisión de diagnóstico, el diseño conceptual, la planificación de la implementación, la implementación misma y el mejoramiento continuo. A continuación se discutirán estas fases en general. La revisión de diagnóstico es la porción del programa JIT que permite al empresario manufacturero identificar, fijar y priorizar las oportunidades de mejora. Las oportunidades pueden encontrarse en las organizaciones actuales, operaciones actuales y layouts actuales. Los tres propósitos fundamentales de la fase de diagnóstico son los siguientes:

a. Establecer una base (económica o no) que permita medir el progreso futuro. b. Identificar las oportunidades brutas para análisis y priorización. c. Establecer metas y objetivos para usar durante la fase de diseño conceptual.

La revisión de diagnóstico debería incluir el desarrollo de un equipo para el proyecto y un análisis de todas las áreas funcionales. El orden de la siguiente lista está correlacionado estrictamente con el tiempo desde la implementación, así es como el primer factor de esta lista deberá ser el primero en ser implementado, y el último, último.

Selección del equipo. El objetivo del equipo para el proyecto es asumir total responsabilidad por el éxito de éste. Un comité moderador fiscaliza el progreso del proyecto e intercede (en caso necesario) para resolver cualquier conflicto que pueda entorpecer el éxito del proceso.

Fijación de la organización. Su objetivo es determinar la disposición del personal de la compañía para convertirse a un ambiente JIT y desarrollar recomendaciones que servirán de base para los niveles deseados de éxito. Se debe primero hacer una lista de candidatos, entrevistarlos, analizar sus datos, realizar una lista de recomendaciones y finalmente reportarlo.

Revisión de la ingeniería de diseño. Su objetivo es entender el rol actual de la ingeniería de diseño, especialmente en su relación con los tiempos, los cuellos de botella, respuesta del mercado, interacción con la manufactura y la compra, uso de estandarización y niveles de manufacturabilidad.

Revisión de los pronósticos. Su objetivo es identificar los pronósticos actuales para tiempos, esperas, costos, niveles de cambio y razones de cambio. Otro objetivo es determinar la adecuación y/o confianza del pronóstico en su relación con la demanda real e identificar las fuentes / métodos usados actualmente.

Revisión del orden de entrada. Su objetivo es ganar un entendimiento de los procesos de orden de entrada actuales, incluyendo tiempos, colas y costos. Será importante identificar cuán apropiados serán los órdenes respecto de la demanda real.

Revisión de la planificación de la producción. Su objetivo es fijar los procesos de planificación de la producción, determinando si son o no adecuados los datos y métodos usados. Esta revisión es realizada primordialmente para desarrollar un entendimiento de todas las funciones que se llevan a cabo; esto será de gran utilidad durante el diseño conceptual y fases de implementación, cuando se hagan

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recomendaciones que puedan afectar dramáticamente la responsabilidad en la planificación de la producción.

Revisión de la programación de la producción. La base de esta revisión es desarrollar un entendimiento de todas las funciones ejecutadas en el ambiente actual de programación. Este estudio será de uso en las fases posteriores, cuando se cambien las funciones de la programación.

Revisión del programa de compras. Un programa efectivo de compras JIT puede ser uno de los más importantes elementos del proyecto. Debe desarrollarse un gran análisis, principalmente en las áreas de distribución de tiempo de compra, calidad de la mercancía, costos, proveedores y entrevistas.

Revisión del proceso de manufactura. Su objetivo es identificar potenciales niveles de oportunidades, con respecto a la reducción de tiempos de cambio, mejoras en la calidad, mejoras y requerimientos de capacidad en el layout y mejoras en los quehaceres domésticos, así como una revisión total del flujo del proceso. Estos datos deberán almacenarse para más tarde, durante las fases de diseño conceptual e implementación.

Revisión de la distribución. Su objetivo es revisar las prácticas y procedimientos actuales de distribución y ver cuánto se apegan a los conceptos JIT de manufactura y distribución. También se usa para identificar niveles de oportunidad que pueden ser alcanzados a través de la aplicación de técnicas JIT.

Revisión del estado de cuentas. Su objetivo es revisar las prácticas y procedimientos actuales de contabilidad y descubrir si son o no apropiados para las operaciones de manufactura JIT. También identifica oportunidades de mejoras generales de productividad en las actividades contables existentes, que puedan ser incorporadas en conjunto con el JIT.

La revisión de diagnóstico establece adónde se encuentra la organización hoy en día, estableciendo marcas con las cuales se pueda comparar el progreso en el futuro. Para proveer a la compañía de un objetivo donde debería ubicarse de uno a cinco años más, se desarrolla un diseño conceptual de la organización completa. El plan de implementación, junto a un trabajo duro, será el medio que permitirá a la organización moverse de un punto A a un punto B. Como se puede ver, para obtener una aproximación conceptual del futuro de una empresa que incorpore JIT, es necesario considerar una serie de factores. Para cada factor, lo que uno debe preguntarse es “¿Cómo puede ser medido cada factor?” La pregunta debe ser respondida en períodos de tiempo de 1 y también 5 años. La “foto” resultante de las operaciones futuras comprende importantes hitos para el balance del programa JIT. Cada hito debe ser mensurable. Por ejemplo, una mejora en la moral de los empleados no es mensurable y, por lo tanto, no califica. Los hitos son un indicador importante de cuáles mejoras planeadas se relacionan correctamente con los objetivos y metas de la corporación y proveen una buena infraestructura para los objetivos y metas de las divisiones y departamentos.

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8. Resumen Los procesos de mecanizado tradicional vistos en un comienzo actúan sobre el material por remoción de viruta, abrasión o microvirutas. Estos procesos no son adecuados para todo tipo de situaciones. En general se recurre a los procesos no tradicionales cuando:

El material es muy duro, más de 400HB. La pieza es demasiado flexible, delicada o difícil de sujetar. La forma de la pieza es complicada. Se requieren tolerancias y acabados superficiales especiales. Se quiere minimizar el efecto térmico sobre la pieza.

Aspereza o acabado superficial y tolerancia con mecanizado no tradicional. Los diferentes procesos de mecanizado no tradicional no involucran solamente herramientas de punto a punto o multipunto, sino que involucran fuentes de energía química, eléctrica y de haces de alta potencia. Las propiedades mecánicas del material no tienen ahora tanta importancia como sus propiedades físicas, químicas y eléctricas. La necesidad de encontrar nuevas formas de mecanizado, reduciendo los costos involucrados, adecuándose al desarrollo de nuevos materiales sigue impulsando la investigación en esta área, que ya ha creado múltiples sistemas que son cada vez más usados en la industria moderna. Estos sistemas se han creado en interrelación con tecnologías de control computacional y máquinas complementarias como robots, mejorando continuamente la productividad.

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