• Author / Uploaded
• JuanSantillan

Citation preview

DEFINICIONES BASICAS A continuación se dan las definiciones de los términos más utilizados en el presente estudio. Algunas palabras se consideran en idioma inglés en la definición y también a lo largo del documento para conservar la naturaleza de su significado dentro del mismo. Al final del documento se presenta un vocabulario que complementa las definiciones y términos citados. Reglaje: Conjunto de acciones metódicas (manuales o automatizadas) previas al mecanizado, realizadas para ubicar una pieza en el dispositivo de fijación de una máquina herramienta. El correcto desarrollo de un reglaje depende directamente de: • Cumplimiento de algunos temas clásicos de estudio en mecanizado y fijaciones • Calidad en el diseño de la fijación • Correcta planeación de procesos • Correcta selección y secuenciación de “setups“ de la pieza durante el mecanizado El proceso de reglaje de piezas en mecanizado se conoce en inglés como “setting up” o simplemente “setting”. Setup: Un setup es un grupo de operaciones de corte que son todas ejecutadas mientras la parte está fija en una posición particular en la maquina herramienta. Tan pronto como la parte cambia de posición por modificación de la sujeción se considera que se ha cambiado a un nuevo setup. La estructura de cada setup depende principalmente de cómo se hayan agrupado las operaciones de corte para obtener la pieza con las especificaciones dadas en el diseño. En la Figura 1 se muestra una pieza que va someterse a 4 operaciones de maquinado usando un escariador. Para poder ejecutar todas las operaciones con la herramienta señalada, los rasgos deben agruparse en 2 setups. El primer setup contiene las operaciones 1, 2 y 3. Para poder realizar la operación 4, se soltará la pieza de la fijación y se dispondrá en la forma en que el escariador pueda trabajar adecuadamente. Para esto es necesario que haya un segundo Setup.

Ing. Camilo Rodríguez

Figura 1. Mecanizado de una pieza en dos setups

Lead Time: Es el tiempo programado guía de uno o varios procesos de manufactura. Fijación: Conjunto de dispositivos que localizan y sujetan la pieza durante el proceso de mecanizado. El rol que debe desempeñar una fijación en un proceso de manufactura se discrimina en las siguientes tareas: • • •

Restricción de la pieza, de manera que no pueda desplazarse con respecto a su localización inicial dada por las coordenadas de la máquina herramienta. Restricción estática y dinámica, suministrando las fuerzas de sujeción para mantener la pieza en su sitio una vez se ubica en la máquina. Soporte. Este soporte se da en términos de la rigidez que debe ofrecer la fijación a la pieza durante el mecanizado. Adicionalmente, los elementos de la fijación misma deben presentar buenas características de rigidez para su soporte.

El diseño y disposición de la fijación tiene gran impacto sobre la calidad del producto final, el tiempo del proceso y el costo de manufactura. Localizador: Dispositivos propios de una fijación necesarios para localizar o posicionar la pieza con precisión y singularidad (unicidad) con respecto al sistema de coordenadas de la máquina. Sujetadores (sujeciones): Dispositivos propios de una fijación que proveen las fuerzas necesarias para sujetar la pieza una vez se ha localizado. Tales fuerzas deben hacer que la pieza permanezca en equilibrio aún cuando sufra las fuerzas de corte. Un esquema de fijación con todos sus elementos se da en la Figura 2:

Ing. Camilo Rodríguez

Figura 2. Esquema de una fijación.

Layout: Cada arreglo o configuración particular de los dispositivos utilizados en una fijación dependiendo de las condiciones específicas del setup que se va a mecanizar. En un layout cada dispositivo de la fijación debe cumplir con funciones específicas determinadas desde la etapa de planeación de manufactura, como localización o sujeción. Puede haber muchos layout adecuados para fijar una pieza, como se muestra en el esquema de la Figura 3:

Figura 3. Dos diferentes layouts para una misma pieza

Mecanizado 2D: Mecanizado en el cual las generatrices de las formas en los procesos de corte nacen del movimiento alrededor o a lo largo de 2 ejes. Las generatrices pueden nacer de cualquiera de las diferentes combinaciones de los movimientos de los ejes de giro y desplazamiento de la herramienta. El tipo de formas que se pueden conseguir en mecanizado 2D son superficies cónicas, planas y cilíndricas. En el desarrollo de este trabajo solo se consideran operaciones de este tipo, a saber, end milling, side milling y drilling. Las operaciones tipo side milling son generadas por herramientas como fresas laterales. Las operaciones tipo end milling (planeados, bolsillos, cajeras) son generados por herramientas como fresas planas y escariadores. Las operaciones tipo drilling son generadas por brocas. Ing. Camilo Rodríguez

Algunas formas y operaciones comunes tipo 2D, con algunas herramientas que los pueden generar, se dan en la Figura 4, en donde se ha resaltado el vector de la dirección de aproximación de cada herramienta:

Figura 4. Algunas formas y operaciones comunes tipo 2D, con algunas herramientas que los pueden generar.

Reconocimiento de Rasgos (Feature Recognition FR): Es una poderosa técnica de manufactura utilizada por los investigadores del área de manufactura en diferentes etapas de la misma, mediante la cual se asocian la topología de los volúmenes desalojados por la herramienta de corte con las operaciones necesarias para obtenerlos. Esta técnica de reconocimiento de rasgos es poderosa desde el punto de vista de las facilidades de manipulación topológica que ofrece, sobre todo para usarse mediante sistemas modeladores de sólidos. Mediante algunos trabajos de enfoque particular, ya se han conseguido generar algoritmos para una programación y automatización de reconocimiento rasgos de maquinado de piezas, no solo en fresado, sino también en torneado. Algunos de esos algoritmos se referencian en la bibliografía de este documento. Rasgo: Según la técnica de Reconocimiento de Rasgos, un rasgo de maquinado es una porción de la pieza afectada por el volumen desalojado por un proceso de mecanizado en particular. Un rasgo de maquinado consiste en tres componentes (ver ejemplo Figura 5): • • •

El volumen barrido por la herramienta La dirección de aproximación de herramienta (y la dirección en la cual la operación se desarrolla) El tipo de operación realizado

Ing. Camilo Rodríguez

Figura 5. Volumen removido por una broca que da origen a un rasgo de taladrado con su respectiva dirección de aproximación de herramienta.

En el presente trabajo, teniendo en cuenta que los problemas estudiados son de fresado tipo 2D, los tres tipos de rasgo asociados según su topología son los que se muestran en la Figura 6:

Figura 6. Rasgos: a) de fresado lateral, b) de planeado por fresado, c) de taladrado.

Volumen Efectivo y Volumen Accesible de un rasgo: El volumen efectivo de un rasgo es el volumen de material que remueve la herramienta y que modifica efectivamente la geometría de la pieza. El volumen Accesible es el volumen que la herramienta debe recorrer para maquinar el rasgo pero que no remueve material. Los volúmenes efectivo y accesible de un rasgo de end milling tipo bolsillo abierto se dan en la Figura 7.

Figura 7. Volumen accesible y removible de un rasgo tipo bolsillo abierto.

El volumen accesible de un rasgo de fresado lateral (side milling) está señalado con óvalos en la Figura 8. Nótese que para fabricar el rasgo como se ha planteado, la fresa lateral debe barrer obligatoriamente un volumen en el espacio en el cual no se remueve material. Ing. Camilo Rodríguez

Figura 8. Volúmenes Accesibles de un rasgo de fresado lateral.

Control Numérico CN: Es la tecnología que se usa para controlar funciones de máquinas herramientas, usando datos numéricos que son programados e interpretados por un controlador incluido en la máquina. En CNC o Control Numérico Computarizado, los datos numéricos tienen su origen interpretativo en algún software alojado en la unidad de procesamiento de datos de un computador o micro-computador. En un ambiente CNC las máquinas, los controladores y los computadores son capaces de intercambiar datos comunicándose directamente entre el controlador de la máquina y los computadores. Las labores de planeación de reglaje y posicionamiento de piezas y de planeación de proceso en general, se pueden realizar con más fiabilidad debido a la facilidad de programación de operaciones mecanizado en CNC. ACERCA DEL PROCESS PLANNING Debido a que algunas de las herramientas que se plantean en este proyecto para solucionar problemas de reglaje y posicionamiento de piezas están enmarcadas en el Process Planning (o Planeación de Proceso), se hace una breve descripción de este método a continuación. De acuerdo a SME (Society of Manufacturing Engineers), Process Planning o planeación de proceso, es la determinación sistemática de los métodos mediante los cuales un producto es manufacturado económica y competitivamente. La labor del Process Planning es proyectar las diferentes actividades del mecanizado considerándolas como interdependientes. Las tareas de la planeación pueden incluir los siguientes pasos: 1) Diseño, análisis e interpretación del entorno de manufactura: análisis de raw material (material en bruto), dimensionamiento geométrico de piezas o partes, inclusión de tolerancias geométricas en los diseños, consideraciones de acabado superficial, etc. 2) Selección de procesos: identificación de los procesos de manufactura requeridos, basándose en los análisis preliminares.

Ing. Camilo Rodríguez

3) Mapeo de tolerancias: análisis de tolerancias y superficies de referencia para reglaje de piezas, con el ánimo de enfocar el uso de dimensiones geométricas de un producto y tolerancias hacia una producción factible. 4) Selección de máquinas: selección de máquinas basándose en sus capacidades y disponibilidades para poder desarrollar los procesos seleccionados. 5) Secuencias de operación: determinación del orden lógico de las operaciones del proceso. 6) Especificación de herramientas y fijaciones: identificación de dispositivos de sujeción para soportar la pieza y las herramientas de corte. 7) Parámetros de corte: observación del régimen de corte, cálculos de velocidad de corte, avance y profundidad óptimos. 8) Análisis de ciclos de tiempo: cálculo del tiempo total de maquinado y tiempos muertos (estimación de Lead times). 9) Documentación: Se debe organizar un plan y documentarlo para su comunicación a las áreas de manufactura. Para dar una mejor descripción de la preparación de un plan de proceso, se da un ejemplo de manufactura basándose en la Figura 6, mediante el cual los diferentes niveles de decisión hechos en Process Planning del caso particular son ilustrados como sigue: Análisis preliminar de una parte mecánica: es el primer paso en cualquier planeación de proceso. Un plan de proceso factible debería ser capaz de definirse teniendo la información de los recursos de producción, pero antes comenzando por una correcta interpretación del dibujo de la pieza desde una perspectiva geométrica. La pieza de la Figura 8 contiene un número de rasgos los cuales pueden ser producidos mediante procesos básicos de manufactura. En esta parte se nota ya la inclusión de técnicas de manufactura poderosas que facilitan el proceso de principio a fin, como el Reconocimiento de Rasgos (Feature Recognition FR), técnica de la cual se han definido algunos términos y de la cual se hablará más adelante debido a su importancia en este trabajo. En el ejemplo, las piezas requeridas se obtendrán a partir raw parts o piezas en bruto de procesos previos de formado tipo laminación y fundición, las cuales mediante operaciones de maquinado terminarán siendo las partes requeridas con sus dimensiones finales.

Ing. Camilo Rodríguez

Figura 9. Pieza ejemplo para análisis mediante Process Planning1.

Basados en esta información preliminar disponible, un planeador de procesos experimentado ya es capaz de esbozar el plan de proceso en bruto para esta parte dada, ya que el material desde la fundición entregada (según el diseño de la pieza ejemplo) no requiere procesos especiales de maquinado, la forma general de la parte muestra buena rigidez en sus formas, el nivel requerido de precisión es moderado, de manera que podrían utilizarse procesos de maquinado convencionales, el número de partes a fabricar no necesita aparentemente especificaciones especiales de fijación, y las herramientas necesarias son básicas y comunes para esta parte en procesos de torneado y taladrado. Selección de procesos de maquinado y herramientas: constituye una segunda etapa del Process Planning. La Tabla 1, da una descripción del proceso y las herramientas necesitadas para producir los diferentes rasgos con la precisión y el acabado superficial requerido. Nótese que, al comenzar las etapas de Process Planning los procesos descritos aún constituyen operaciones independientes, las cuales son capaces de producir cada rasgo pero no toman en cuenta la interacción entre rasgos. RASGO A MAQUINAR 1 2 3 4 5

DESBASTE

PASOS Y HERRAMIENTAS SEMI-ACABADO

ACABADO Broca Fresa o Fresa o herramienta herramienta de para superficies superficies Herramienta de abocardado Broca Rimador Rimador Herramienta de aristas Tabla 1. Selección de operaciones y herramientas

NUMERO DE HERRAMIENTAS 1 1o2 1 3 1

Agrupación de operaciones: La siguiente etapa consiste en hacer grupos de setups o arreglos de operación-posición de pieza, de manera que se asocien operaciones y posiciones independientes en conjuntos tales que los rasgos puedan ser maquinados precisamente y económicamente. Para el ejemplo dado, el rasgo 2, 4 y 5 son agrupados en un solo setup por consideraciones de tolerancia ya que en un mismo montaje se pueden ejecutar las tres operaciones por torneado (ver Figura 9), mientras que el 1 y el 3 son agrupados en otro por consideraciones económicas. Después de que se han establecido los setups, 1

Tomado de [5] Huang.

Ing. Camilo Rodríguez

también las operaciones internas a cada setup necesitan ser puestas en cierto orden basados en restricciones técnicas o económicas. La discusión sobre el estudio de estas restricciones será llevada en el siguiente capítulo de este documento. Para llegar hasta este punto, las máquinas herramientas a ser usadas para cada operación también necesitan ser consideradas. Para la pieza del ejemplo, los rasgos 2, 4 y 5 serán maquinados mediante torneado en un primer setup, y en un siguiente setup se taladrarán los rasgos 1 y 3. Nótese que ya se determina que el agrupamiento de rasgos constituye un paso importante en la planeación del maquinado de una pieza. Este paso puede solucionarse mediante unos dos primeros criterios para agrupar rasgos: por sus tolerancias y por capacidad y conveniencia de maquina seleccionada.

Figura 10. Agrupación de las operaciones 2, 4 y 5 en un primer Setup (todos son procesos de torneado).

Selección de referencias para el maquinado: Continuando con las etapas del ejemplo, después de agrupar apropiadamente los setups (setup es el grupo de operaciones de mecanizado hechas a una pieza mientras se encuentra en una posición particular fija en la máquina herramienta), es necesario definir la posición de los dispositivos convenientes para localizar las partes en la maquina herramienta, o en otras palabras para considerar una fijación (los arreglos y los dispositivos de localización y sujeción como tal). Como ya se ha dicho, la tarea de las fijaciones es asegurar la estabilidad de una parte manufacturada durante el proceso de maquinado y así garantizar su precisión. Algunos principios clásicos son aplicados para tomar las decisiones sobre como montar una fijación. En la pieza dada del ejemplo es aplicado el llamado “principio de 3-2-1 o de los 6 puntos” según el cual se restringirán los seis grados de libertad de la pieza poniendo tres puntos (1, 2 y 3) sobre el plano B1, y dos puntos (5, 5) sobre el cilindro B2. El último grado de libertad es restringido por el punto 6 como lo muestra la Figura 11. Un esquema resultante de fijación para el primer setup también se muestra en la figura. Según el orden cumplido hasta ahora, en esta parte se hace notorio que entre una fijación y los setups existe una estrecha correlación, debido a que solo con una buena selección de referencias de mecanizado y una buena agrupación de operación de procesos, se conocerán los setups que deben realizarse sobre la pieza, y se tendrá la certeza de cómo va a localizarse y fijarse la pieza en la máquina herramienta. Ing. Camilo Rodríguez

Figura 11. Posible esquema de fijación para la pieza ejemplo2.

Finalmente, los procesos mencionados necesitan ser detallados y archivados en un plan de proceso para el ejemplo dado a fin de enviar toda la información al departamento de producción. En esto consiste el último paso de un plan de proceso: documentación. Un ejemplo de carta de plan básico de proceso se da en la Tabla 2. Trabajo

Operación

Descripción

Máquina Herramienta

Torneado

Taladrado

e

Desbaste de cara Acabado de cara Torneado interno Chamfer

f

Boring

b 10

c d

Torno semi-automático

a

Posición de la sujeción (operación inicial) Sobre B2 (puntos 4,5) Sobre B1 (puntos 1,2,3) Sujeción # 6

Tabla 2. Carta de plan básico de proceso

2

Tomado de [5] Huang.

Ing. Camilo Rodríguez

Inspección de herramienta

Mordaza # 3 Mordazas Taladro estándar Herramienta para caras Herramienta para aristas Inserto sobre “bar borer” Medir la clavija Acabado superficial estándar (visual)

PROCESS PLANNING GENERATIVO Como la generación de planes de proceso completos es una tarea compleja y requiere de muchos pasos, e incluso puede requerir varias iteraciones, la implementación de sistemas automatizados de Process Planning capaces de mejorar automáticamente la tarea completa es en parte el futuro de la manufactura (Regli-Gupta-Das-Nau [3]). El Process Planning Generativo es una de las tendencias del planeación más estudiadas con fines de automatización de la manufactura. Esta tendencia y algunas otras se incluyen en lo que se conoce como CAPP o Computered Aided Process Planning. Hoy en día se han desarrollado proyectos que pretenden automatizar el Process Planning de piezas por mecanizado en el Laboratorio de Mecatrónica (Martinez [32]). Los dos tipos de enfoque de CAPP son el método Variant y el Método Generativo. El Método Variant implica modificación de un plan de manufactura de una pieza para poder fabricar una pieza similar. El Método Generativo implica generación de nuevos planes de proceso por medios lógicos de decisión y conocimiento de proceso. El Método Generativo de Process Planning es el único capaz de desarrollar un plan de proceso desde el diseño de pieza, donde la evaluación de manufacturabilidad es clave y es más fuerte, además, no se mantiene al diseñador atado a planes de proceso antiguos y permite desarrollar planes de proceso alternativos para el mismo diseño.

Ing. Camilo Rodríguez