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Xavier Salueña Berna Amelia Nápoles Alberro

Tecnología mecánica

EDICIONS UPC

Primera edición: octubre de 2000 Con la colaboración del Centre de Recursos de Suport a la Docència ©

Los autores, 2000

©

Edicions UPC, 2000 Edicions de la Universitat Politècnica de Catalunya, SL Jordi Girona Salgado 31, 08034 Barcelona Tel.: 934 016 883 Fax: 934 015 885 Edicions Virtuals: www.edicionsupc.es e-mail: [email protected]

Producción: CPDA Av. Diagonal 647, ETSEIB, 08028 Barcelona

Depósito legal: B-34139-2000 ISBN: 84-8301-449-1 Quedan rigurosamente prohibidas, sin la autorización escrita de los titulares del copyright, bajo las sanciones establecidas en las leyes, la reproducción total o parcial de esta obra por cualquier medio o procedimiento, comprendidos la reprografía y el tratamiento informático, y la distribución de ejemplares de ella mediante alquiler o préstamo públicos, así como la exportación e importación de ejemplares para su distribución y venta fuera del ámbito de la Unión Europea.

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Índice

ÍNDICE MÓDULO 1. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 5 1. Introducción a la tecnología mecánica ........................................................................................ 2. Los materiales utilizados en la industria ...................................................................................... 3. Obtención de los metales ............................................................................................................ 4. Metales férricos............................................................................................................................ 5. Procedimientos tecnológicos para obtener piezas en bruto y acabadas .................................... 6. Fabricación flexible y técnicas avanzadas...................................................................................

7 7 8 9 12 19

Bibliografía ....................................................................................................................................... 20

MÓDULO 2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS. CONFORMADO DE CHAPA EN FRÍO................... 21 TRATAMIENTOS TÉRMICOS .................................................................................................................. 1. Introducción ................................................................................................................................. 2. Tratamientos térmicos y termoquímicos más importantes .......................................................... 3. Tratamientos térmicos superficiales ............................................................................................ 4. Tratamientos superficiales por capa de sustrato ......................................................................... 5. Tratamientos anticorrosión ..........................................................................................................

23 23 27 31 31 31

DEFORMACIÓN METÁLICA EN FRÍO ....................................................................................................... 1.Introducción................................................................................................................................... 2. Materiales utilizados .................................................................................................................... 3. Operaciones principales .............................................................................................................. 4. Evolución tecnológica en el conformado de chapa .....................................................................

33 33 33 34 68

Bibliografía ....................................................................................................................................... 70

MÓDULO 3. MOLDEO DE PIEZAS METÁLICAS .......................................................................... 71 FUNDICIÓN Y MOLDEO......................................................................................................................... 73 1. Introducción al moldeo................................................................................................................. 73 2. Moldes desechables .................................................................................................................... 79 3. Moldeo con arena ........................................................................................................................ 81 4. Métodos de moldeo con moldes de arena................................................................................... 85 5. Moldes permanentes ................................................................................................................... 113 6. Hornos.......................................................................................................................................... 122 Bibliografía ....................................................................................................................................... 123

MÓDULO 4. CONFORMADO POR FORJADO EN CALIENTE..................................................... 125 1. Introducción ................................................................................................................................. 127 2. Comportamiento elástico-plástico de las piezas metálicas ......................................................... 128 3. Proceso de forja o estampación en caliente................................................................................ 130 4. Maquinarias utilizadas para la forja ............................................................................................. 135 5. Volúmenes de deslizamiento y de fricción................................................................................... 138 6. Forjado con estampas ................................................................................................................. 142 Problemas resueltos ........................................................................................................................ 143 Bibliografía ....................................................................................................................................... 155

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

MÓDULO 5. MECANIZADO POR ARRANQUE DE VIRUTA ........................................................ 157 1. Introducción ................................................................................................................................. 159 2. Materiales mecanizables ............................................................................................................. 159 3. Procedimientos empleados en el arranque de material .............................................................. 161 4. Proceso de arranque de material por medio de cuchillas ........................................................... 164 5. Proceso de torneado.................................................................................................................... 175 6. Operaciones en torneado según la cantidad de material arrancado por etapa .......................... 177 7. Cálculo de movimientos en torneado .......................................................................................... 177 8. Tiempo total del proceso.............................................................................................................. 183 9. Número de filos por herramienta ................................................................................................. 184 10. Costos del proceso .................................................................................................................... 185 11. Fuerza de corte.......................................................................................................................... 187 12. Potencia de corte ....................................................................................................................... 189 13. Taladrado ................................................................................................................................... 197 14. Cálculo de movimientos en taladrado........................................................................................ 201 15. Tiempos del proceso.................................................................................................................. 205 16. Costos del proceso .................................................................................................................... 207 17. Máquinas de taladrado .............................................................................................................. 209 18. Taladrado de agujeros profundos.............................................................................................. 210 19. Automatización de las máquinas herramientas ......................................................................... 218 Bibliografía ....................................................................................................................................... 227

Módulo 1. Introducción

Módulo 1. Introducción Xavier Salueña Berna

p5 5

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Módulo 1. Introducción

1. INTRODUCCIÓN A LA TECNOLOGÍA MECÁNICA La tecnología mecánica se puede definir como la ciencia encargada del estudio de la transformación de los materiales metálicos para la obtención de piezas o artículos de consumo. Como asignatura de fabricación es de vital importancia para el ingeniero de organización. Antiguamente la fabricación era considerada como un ente de la empresa desvinculada de la concepción y diseño del producto y que era la encargada de ejecutar unas ideas ya preconcebidas. Esto fomentaba un incremento del tiempo de ingeniería por necesidad de rediseños, por no poderse fabricar la pieza o por encarecer el producto en la fabricación. La filosofía actual no puede concebir el diseño del producto sin pensar en la fabricación. Si el diseño no es adecuado, la fabricación puede ser costosa y eso supone que el producto no será competitivo. Actualmente debido a la competencia y a la guerra de precios, la variabilidad del producto, el aumento de la calidad del producto y la disminución de los tiempos de entrega se aplica un concepto denominado ingeniería concurrente en el cual todos los departamentos implicados en un producto (Diseño, compras, ventas, fabricación...) deben intervenir en su concepción de manera paralela. El ingeniero de organización como elemento de ligazón de estos departamentos debe conocer como ingeniero cada parte de este todo y por tanto los métodos de fabricación. Por otro lado se vinculará aún más en la fabricación cuando se le exija una disminución del tiempo de elaboración, un aumento de la calidad, una reducción de los elementos almacenados, una flexibilidad, una reducción de los costos, una redistribución de los puestos de trabajo, una disminución de los recorridos de las piezas, una organización del mantenimiento de la planta, un entorno mediambientalmente sostenible y sin riesgos para los trabajadores... Debido a que en la actualidad los metales siguen siendo los materiales más utilizados en la fabricación esta asignatura es clave para obtener la base del conocimiento de los actuales métodos de su fabricación. La asignatura parte de una introducción donde se plantean que metales se utilizan más en la industria, la mayoría de los procesos más utilizados de elaboración de piezas metálicas existentes, nuevas técnicas de organización de la producción... A continuación se detalla la fabricación de piezas por deformación tanto en caliente como en frío, por fusión y colada y finalmente por arranque de viruta. Se trata también en la asignatura los tipos de tratamientos térmicos y anti-corrosión a que se someten las piezas. Con ello se obtendrá una visión generalizada de la tecnología mecánica, ya que su estudio completo comprendería toda una carrera.

2. LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA Si realizásemos un balance sobre los materiales más utilizados en la industria comprobaríamos que son los metales y aleaciones, los plásticos, las cerámicas, los elastómeros y los materiales compuestos. Dentro de estos y si nos basamos en una tabla que valora a los dos primeros grupos, deduciremos que no materiales férricos continúan siendo los más utilizados a nivel mundial. Observaremos además que la manipulación del resto de materiales metálicos también es importante, por lo que el ingeniero debe enfatizar el estudio de la obtención y fabricación de las piezas metálicas.

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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Coste relativo

7900

Volumen producido mundial. 3 6 (m * 10 ) 97

18

2700

6,7

3

Cobre

11

8900

1,2

5

Cinc

7

7100

1

4

Plomo

5

11300

0,41

3

Níquel

0,7

8900

0,08

10

Magnesio

0,4

1700

0,23

8

Tin

0,3

5800

0,05

20

Titanio

0,1

4500

0,02

26

Polímeros

85

900-2200

56

(Depende tipo)

Material

Producción mundial. 6 (Tn *10 ) 768

Densidad 3 (kg/m )

Aluminio

Acero y fundición

1

En este módulo de introducción comentaremos cómo se obtienen algunos de estos metales, la clasificación de los aceros según la IHA y las normas UNE, y en que formatos llegarán estos metales a nuestro taller procedentes de las metalurgias.

3. OBTENCIÓN DE LOS METALES Los metales se suelen obtener a partir de minerales extraídos de minas subterráneas si el mineral se encuentra en vetas o a cielo abierto si se presentan en grandes depósitos.

Metal

Minerales

Hierro Aluminio Cobre Zinc Plomo Níquel Magnesio Titanio

Magnetita, hematita, limonita, goetita, siderita, taconita Bauxita Calcopirita, calcocita, cuprita, azurita, bornita, malaquita, cobre nativo. Franklinita, willemita, cincita Galena Niconita, pentlandita, garnierita Agua de mar (no mineral) Anatasa, Brookita y Rutilo

No explicaremos en este curso los métodos de obtención de cada uno de los metales, ya que no es ninguno de nuestros objetivos. Como ejemplo comentaremos de manera sintetizada la obtención de los metales férricos.

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Módulo 1. Introducción

4. METALES FÉRRICOS Se obtienen fundiendo los minerales junto con carbón en los altos hornos. A veces también puede obtenerse por reducción directa pero es menos común. El hierro no existe en estado puro sino en minerales denominados mena. De las minas de hierro extraemos la ganga que consta de la mena y de tierra, barro y rocas. El contenido de hierro en las menas es de 40% en carbonatos y de 60% en óxidos. Es por eso que nos interesa trabajar con óxidos por lo que en caso de tener minerales de sulfuros o carbonatos primero los transformaremos en óxidos.

4.1. Procesos siderúrgicos

„

1. Lavado, cribado y sinterizado

Separamos parte de la ganga (tierra y barro) y trituramos el resto.

„

2. Alto horno

Reducción del hierro mediante carbón de coque (carbón con afinidad por oxígeno) y extracción total de la ganga con un fundente (cal, básica, si la ganga es ácida y sílice, ácido, si la ganga es básica) obteniendo el arrabio y la escoria. Separación por diferencia de densidades de la escoria del arrabio. El resultado es el arrabio que es hierro con un 2,5 a 5 % de carbono, 1 a 3% de silicio y azufre, fósforo, manganeso...

„

3. Afino del arrabio

Quemamos el Azufre y el fósforo y afinamos el tanto por ciento de carbono al material.

Entran

Salen

Mineral...........2t Coque............1t Fundente......0,5 t Aire................4 t

Arrabio...............1t Escorias...........0,5 t Gases................6 t

Las escorias se utilizan como abonos, aislantes térmicos... Dependiendo del tanto por ciento de carbono del metal férrico obtendremos hierro, acero o fundición. Se considera como hierro el metal férrico con 0,05 a 0,08 % de C ; aceros con 0,08 a 1,8 % de C y fundición con 2,5 a 5 % de C. Debido a que el arrabio contiene impurezas y un alto contenido de carbono debemos afinarlo.

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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Afino del arrabio Esquema: Arrabio

CUCHARA

Afino del Acero (Sin solidificar)

Convertidor H. eléctrico

Afino del Acero (A. solidificado más chatarra) SURCOS

Afino de fundición (A. Solidificado)

H. Martín-Siemens

Cubilote

4.2. Afino del acero

„

Afino en convertidor o horno básico de oxígeno Consiste en quemar por medio de oxígeno tanto las impurezas (fósforo,azufre...) como el exceso de carbono del arrabio líquido. Los problemas de estos convertidores es que producen óxido de hierro y nitrógeno por lo que los aceros obtenidos son de calidad media aptos para elaborar tubos, chapas, perfiles laminados, alambre.

„

Afino en horno Martin-Siemens o de hogar abierto Son hornos de gas que funden en su interior a 1800ºC lingotes de arrabio solidificado y chatarra. Al alcanzar dicha temperatura se destruyen todas las impurezas y se consiguen aceros de calidad aptos para fabricar piezas de maquinaria.

„

Afino en horno eléctrico Transforman la energía eléctrica en calor por lo que alcanzan temperaturas superiores a los anteriores. Al no generarse llama sólo se queman las impurezas y no el metal. Los aceros son de alta calidad o aleados. Los dos tipos de hornos eléctricos son: De arco y de inducción. Una vez afinado el acero se recoge en cuchara y vierte en lingoteras obteniendo lingotes de acero que tras calentarse en pozos de inmersión se forjarán o laminarán para obtener piezas comerciales.

4.3. Afino de la fundición

„

Cubilote El cubilote es un horno cilíndrico en el cual se introducen capas alternadas de arrabio y de carbón de coque (tras encender con maderas) hasta sobrepasar la altura de las toberas. Una vez incandescente se añade el fundente y se inyecta aire por las toberas. El metal fundido cae en un crisol y cuando está lleno se abre la piquera y se recoge el metal en cucharas de colada para después verter en los moldes de fundición. La diferencia entre los aceros y la fundición en cuanto a propiedades se refiere:

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Módulo 1. Introducción

Aceros

Fundición

Dureza media Resilencia Soldabilidad Forjables Dúctiles y maleables Resistencia Oxidan No colabilidad

Gran dureza (F blanca), dureza media (F gris) Baja resilencia No soldables No forjables No dúctiles ni maleables No resistencia Resistencia a corrosión Colabilidad

4.4. Obtención de formas comerciales de aceros Una vez obtenidos los lingotes de acero y cuando aún están incandescentes se depositan en unos rodillos que llevan al lingote hacia unos cilindros donde se obliga a pasar el material entre ellos reduciendo su espesor y adoptando formas determinadas. Es lo que se denomina laminación en caliente.

S

Formas comerciales de aceros más comunes

Nombre

Ancho (mm)

Espesor (mm)

Plano ancho Llanta (12) Pletina (13) Fleje (14) Chapa

200 a 600 10 a 200 10 a 200 inf a 200 sup a 600

4 a 10 10 a 120 4 a 10 inf a 4 >6 gruesa 3-6 media 1,43, la resistencia a la deformación comienza a aumentar, y para trabajar con un margen de seguridad, se establece que los semiproductos a forjar tienen que cumplir que:

S S „

H/D > 1,5 --- Los conos de fricción y deslizamiento están suficientemente separados. H/D < 2,5 --- Caracterización de esbeltez de la pieza, condición para que no ocurra pandeo. Curva de Alzada (H vs

σ)

Como sabemos que la máxima deformación de las piezas depende del efecto de los volúmenes de fricción y deslizamiento, y estos a su vez de la relación base–altura, conviene trazar una Curva de Alzada (H) en función de la Resistencia a la deformación (σd), con el objetivo de conocer cual es la altura mínima a la que se pueden comprimir, cuando la resistencia alcanzada por el material se iguala al límite de resistencia en estado de normalizado. El comportamiento de la Curva de Alzada es similar al de una parábola equilátera en la que se cumple que H * σd = constante. Esta curva es específica para cada pieza y proceso, que en el caso de que no se pueda obtener experimentalmente, se calculan los puntos a partir del valor teórico de resistencia dado para la probeta homologada (D=H), tal como se muestra en la siguiente tabla para el caso de forja lenta. Resistencia a la deformación (daN/mm2) por compresión, dada para forja lenta (prensa), que presentan las probetas homologadas con D=H, forjadas en calientes y a diferentes temperaturas, en las que los volúmenes de fricción están suficientemente separados.

Temp. ºC

1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300

MATERIAL Aceros Aceros Moldeables Aleados Fuertes aleados

Aceros al Carbono Suaves Semisuaves ≤ 0,3 % Semiduros 0,3: 0,5 % C C 1,8 2,5 2.0 3,8 3,0 5,0 4,0 8,0 6,5 11,0 10,0 16,0 15,0 24,0

Duros 0,5 / 0,6 %C 3,5 : 4,0 5,0 8,0 12,0 17,0 25,0 38,0

≤ 4%

> 0,4 %

6,0 8,0 10,0 15,0 20,0 25,0

8,0 10,0 15,0 25,0 35,0 45,0

Aleaciones de Cobre

Cu

Cu/Zn/Sn

1,0 1,5 2,0 4,0 5,0 7,0 10,0

0,5 1,0 2,0 4,0 5,0 9,0 13,0

Aleaciones de Aluminio Al

Al + 4% Cu

0,5 1,0 2,0 3,0

1,5 2,5 5,0 8,0

Nota: Para la forja lenta, se selecciona la menor de las temperaturas indicadas en la tabla de los aceros, expuesta en el tema de materiales.

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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„

Influencia de la velocidad de golpeo en el forjado.

A mayor velocidad de golpeo el material ofrece más resistencia a la deformación, por lo que para la forja rápida, es decir cuando se trabaja con martinete, en la conformación del acero, los valores de esta resistencia del material se pueden obtener multiplicando los de la tabla anterior por 2,5 o 3, (aunque en algunos casos las tablas están dadas). Ejemplo: El σd de un acero suave a 1100ºC es de 2 kg/mm2 para prensa y de 6 kg/mm2 para martinete. [2 * 3 = 6 kg/mm2]

6. FORJADO CON ESTAMPAS Las estampas se utilizan en el forjado de piezas con el objetivo de transformar el semielaborado a la geometría previamente concebida e inscrita de forma inversa en las superficies de estas. Para el conformado de piezas por estampado se utilizan normalmente prensas mecánicas. „

Diseño de las estampas

Generalmente es conveniente diseñar las estampas con una canal, que permita el alojamiento de un exceso de material a forjar, y por lo tanto la formación de una rebaba en la pieza, que se eliminará más tarde. Cuando comienza a formarse la rebaba, aumenta la fricción que se opone a que el metal siga fluyendo y por lo tanto obliga al material a mantenerse en la cavidad. Este comportamiento se agudiza en el forjado en caliente, ya que la rebaba al enfriarse más rápidamente que el resto del material, aumenta aún más su resistencia a la deformación. En la figura 13 se muestra un ejemplo sencillo de una pieza y su estampa, indicándose algunos parámetros significativos. Rebaba Estampa superior

Línea de separación Estampa inferior

Canal

Figura 13. Partes elementales de una estampa.

„

S S S S

Características que deben cumplir las estampas Resistencia a la compresión. Resistencia al choque (resiliencia). Resistencia al desgaste. Resistencia a las temperaturas elevadas.

El material utilizado en la fabricación de las estampas es el acero aleado, que una vez construidas estás deben someterse a tratamientos térmicos. Las medidas de las estampas deben ser mayor a las de las piezas forjadas debido a que esta se contrae al enfriarse. De la misma forma, con el objetivo de tener creces para el mecanizado, las medidas de esta última deben ser superiores a las de la pieza definitiva por lo tanto se dejarán 3 mm de exceso por superficie a mecanizar.

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Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

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La geometría a obtener puede ser uniforme o irregular, tal como se estudia en el problema Nº 1 y por separado, aplicado al trabajo con forja lenta. Por otra parte una aplicación de forja rápida se observa en el problema Nº 3. También las estampas se utilizan en el recalcado de tornillos, clavos, etc., como se estudia en el problema 2.

PROBLEMAS RESUELTOS „

Problemas de estampado de geometría irregular

Dado el bruto de forja representado abajo, se pide determinar la fuerza neta (kN) de la prensa (lenta hidráulica) capaz de finalizar la tercera y última fase de la estampación propuesta. La marcha general será:

S S S S S S S S S S S

Determinación de la temperatura de forja, en función del material. Cálculo de las secciones respectivas. Descomposición en volúmenes elementales, según alturas. Cálculo y dimensionado del volumen inicial. Determinación del volumen de referencia u “homologado”. 2 Determinación y gráfico de la curva de alturas (H mm)/resistencias específicas (k daN/mm ). Cálculo de las respectivas resistencias y de la fuerza total necesaria. Suponiendo un 600 p/h determinar la potencia necesaria en el caso 7. Si toda la fuerza aplicada por la prensa anterior al volumen inicial fuese “uniforme” (por medio de dos medias estampas planas de superficie suficiente), determinar las dimensiones del producto bruto obtenido. Análogamente determine la potencia necesaria para el caso 9, con el mismo ciclo, en tres etapas. Calcular la potencia para el caso del MARTILLO.

Dato: Material: acero al carbono F-114

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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Solución En la tabla de aceros se encuentra que para el acero F-114 la temperatura para forja lenta es: T = 850 ºC

Como Vi = Vf:

3

Vf = VI + VII + VIII + VIV = 3013965 mm Di = 2/3 Df = 166,67 mm

Df- mayor diámetro final

Vi = Vf =

Hi =

: · D i2 : · 166,67 2 · Hi = · H i = 3013965 4 4

4 · 3013965 = 138,14 mm : · 166,67 2

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Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

S

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Comprobar a pandeo:

H 138,14 = = 0,83 < 2,5 No hay pandeo D 166,67 S

Calcular el volumen HOMOLOGADO:

así pues: 2

 Do  3 :·   · Ho = 3013965 mm  2  : · D 02 :· = 3013965 → Do ≈ 157 mm 4 Do = Ho = 156,56 ≈ 157 mm

S

Comprobar VOLÚMENES DE FRICCIÓN:

Mirar para la barra inicial: Inicialmente no están en contacto los volúmenes de fricción.

S

Calcular σdo: Al no estar en contacto los volúmenes de fricción se puede establecer una hipérbole equilátera de

H·σd = cte·A. F-114 es acero semiduro 0,45 %C a T = 850 ºC, de la tabla: 900 ºC → 8 kg/mm2 800 ºC → 11 kg/mm2 Entonces: 850 ºC → 9,5 kg/mm2 ≈ 95 N/mm2 = σdo

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Por tanto la ecuación de la hipérbole será:

H · 1 = 14873,2 Se calcula la resistencia a deformación máxima:

1 dNORM

= 62 - 70 ≅ 660 N/mm 2 (En tablas norm. a 875º C ≈ al 850 º C)

para el F-114 (MÁXIMA)

H a partir

=

de que

σR =775 N / mm 2

A 1 RNORM

=

14873,2 = 22,53 660

La altura minima a la que se debe comprimir es 22,53 mm. Se calcula σd para diferentes alturas:

S

Calcular la energía:

h 1 = 75 mm → σ d1 =

14873,2 = 198,31 N/mm 2 75

h 2 = 100 mm → σ d2 =

14873,2 = 148,73 N/mm 2 100

h 3 = 30 mm → σ d3 =

14873,2 = 495,.77 N/mm 2 30

h 4 = 50 mm → σ d4 =

14873,2 = 297,46 N/mm 2 50

ET = FT · ∆Hneto PROM.

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Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

S

Cálculo de la fuerza total necesaria: Fnf = Suf · σdf

F1f =

: · 50 2 · 198,31 = 389381,6 N 4

 : · 150 2 : · 50 2 F2f =  − 4 4 

  · 148,73 = 2336250,8 N 

 : · 200 2 : · 150 2 F3f =  − 4  4

  · 495,77 = 6814520 N 

 : · 250 2 : · 200 2 F4f =  − 4  4

  · 297,46 = 5257270 N 

FT,PR = F1f + F2f + F3f + F4f = 14797422,4 N ≈ 14796,9 kN

S

Cálculo de ∆Hneto PROM

∆H 1 = H i - H1 = 138,14 - 75 = 63,14 mm ∆H 2 = H i - H 2 = 138,14 - 100 = 38,14 mm ∆H 3 = H i - H 3 = 138,14 - 30 = 108,14 mm ∆H 4 = H i - H 4 = 138,14 - 50 = 88,14 mm

∆H PROM =

∑ ©+ = 297,56 = 74,39 mm n alt

4

Para n = 2 etapas:

E T = 14797422,4 ·

74,39 = 550390,13 Nm = 550390,13 J 2

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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La potencia útil será:

Putil =

600

E T 550390,13 = = 91731,6877 W t 6

piezas 1h 1 · = 0,166 p/seg → = 6 seg/pieza h 3600 seg 0,166

PNOM = S

Putil 91,732 = = 102 kW Æ 0,9

Calcular la potencia necesaria si se tratase de un MARTILLO (no hay rebabas), η= 95%. FT = 14796, 9 kN (prensa)

hmin = 30 mm

FT (martillo) = 14796,9 · 3 = 44390,7 kN ET = FT · hmin (último golpe) = 3 · 14796,9 · 0,03 = 1331,7 kJ

P=

E T 1331,7 = = 221,95 kW t 6

PNOM = „

S S

221,95 = 233,63 kW 0,95

Problema de recalado Calcular la potencia del motor de una prensa de 720 piezas/h y un rendimiento η= 85 %. Determinar como debe ser la estampa y el redondo inicial.

Material: C → 0,22 % Tforja → 1200 ºC

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Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

Solución

La estampa necesaria es: Área del hexágono:

2

A = 6 * ½ * 65 * 56 = 10863 mm Volumen final de tornillo:

2

Vf = 6 * ½ * 65 * 56 * 50 = 543000 mm ↑ altura de la cabeza Altura inicial, Hi:

: · 75 2 Vf → 543000 = · Hi → Hi = 123 mm 4

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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Se establece la relación entre la altura y el diámetro para no tener problemas de pandeo:

r=

Hi 123 = = 1,64 < 2,5 No hay pandeo Di 75

Medidas del redondo inicial:

Medidas del volumen homologado:

así pues: 2

Do  Do  = 543000 mm 3 Vf = : ·   · Ho = : · 4  2  3

si Do = Ho = 88 mm

Fuerza inicial:

Fi = S · 1 d

h =123

75 2 = :· · 1,287 = 5685 kg 4

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Fuerza final: Ff = 6 · 0,5 · 65 · 56 · 3,168 = 34594 kg

Fm =

5685 + 34594 = 20139,5 kg ≈ 201395 N 2

Energía con prensa progresiva:

 123 - 50  E = Fm · (Ho - H f ) = 201395 ·   = 14700 J  1000 

P=

14700 =2940 W 5

Pnom =

„

P 2940 = = 3458 W Æ 0,85

Problema de martinete (con tabla)

Tenemos la pieza semielaborada que se representa a continuación:

Se desea hallar la energía del martillo.

Solución Es una pieza de mucho relieve y muy fina, por lo que trabajaremos con deformación rápida a grandes velocidades con martinete. Como la pieza es muy fina necesitamos una rebaba que dará un contrafuerte y un efecto de fluencia inversa.

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S

Secciones donde se aplicará la fuerza:

Se supone que volúmenes de fricción están suficientemente alejados y, por lo tanto, se puede utilizar la curva → H · σd = cte. De tablas se obtiene: Para martinete (x 2,5 ó 3) hI = 8 hII = 50 → hIII = 20 → hIV = 2,5 hV = 8

S

→ → → → →

σd(dl) = 20 σd(dl) = 4 σd(dl) = 7 σd(dl) = 60 σd(dl) = 40

→ → → → →

60 kg/mm2 12 kg/mm2 21 kg/mm2 180 kg/mm2 120 kg/mm2

Cálculo de fuerzas: F = σd · S

FI = 3630 · 60 = 217800 FII = 4863 · 12 = 58356 FIII = 6900 · 21 = 144900 FIV = 2280 · 180 = 410400 FV = 2435 · 120 = 292200

____________

1123656 kg →

1130 Tn

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Módulo 4. Conformado por forjado en caliente

S

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Tocho de material → 2/3 · 140 = 90 mm

2/3 · diámetro max. de la pieza (sin tener en cuenta la rebaba)

Vp = S I · h I + S II · h II + S III · h III + S IV · h IV + S V · h V = 430000 mm 3

S

Energía del martillo (en último golpe) E = 11300000 N · 2,5x10-3 m = 28250 Nm = 28250 J ↑espesor de la rebaba

A continuación se muestra una tabla que resume los diferentes procedimientos según sea el caso.

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta Amelia Nápoles Alberro y Xavier Salueña Berna

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

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1. INTRODUCCIÓN Por todo lo estudiado hasta ahora, se puede resumir que, según las características geométricas de las piezas a fabricar y las propiedades de sus materiales requeridas, existe una gran variedad de procesos de fabricación que dependen de los siguientes métodos de realización:

S S S S S S

Dar preforma. Ej. Fabricación de acero Transformar geometría. Ej. Forja. Separar. Ej. Mecanizado. Unir. Ej. Soldar. Recubrir. Ej. Pavonado Modificar propiedades. Tratamiento térmico.

En este capitulo se estudiará el Mecanizado, proceso basado en el método de separar, a su vez dentro de este último se distinguen dos tipos: Dividir (cortar, entallar) y Arrancar (torneado, taladrado). El proceso de fabricación mediante mecanizado consiste en arrancar en forma de virutas o partículas, el exceso de material de un semiproducto previamente concebido, utilizando las máquinas y herramientas cortantes adecuadas, para conseguir la geometría de la pieza deseada y las especificaciones planteadas. La obtención de las dimensiones y geometría definitiva de una pieza mediante el arranque de viruta, se realiza partiendo de semiproductos fabricados por fundición, forja, laminación o por pulvimetalurgía, a los que, en algunos casos, se les han efectuado operaciones previas de doblado, soldadura u otras. Debido a que en ocasiones el mecanizado resulta ser un procedimiento bastante caro, la fabricación total de piezas por fundición, por deformación o por polvos metálicos, está siendo utilizados en mayor proporción. No obstante, hay que tener en cuenta que el método de arranque de viruta es el único que permite construir piezas con una exactitud del orden de micras, mientras que en los dos primeros la tolerancia oscila alrededor de ± 3 mm y en el tercero de ± 0,13 mm. Por otra parte en el mecanizado se obtienen acabados superficiales muy finos, como es en el caso de operaciones de rectificado, pulido, lapeado. A pesar de que todas las máquinas empleadas en la conformación de los materiales, por ejemplo las prensas y martinetes, pueden considerarse como máquinas herramientas, generalmente, se suelen denominar de esta manera a las que conforman por arranque de material, como son las taladradoras, fresadoras, tornos, etc.

2. MATERIALES MECANIZABLES De forma general, se puede resumir en tres grandes grupos los materiales mecanizables.

S

Metales La mayoría de los metales y sus aleaciones pueden conformarse por arranque de material, sin embargo en algunas ocasiones es necesario aplicarle a estos un tratamiento térmico previo, debido a que no todos los materiales se dejan trabajar con igual facilidad, o sea que no tienen la misma maquinabilidad.

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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Generalmente los aceros son los materiales que más se conforman por mecanizado y a su vez los que presentan mayor complejidad al aplicárselo. Grupos de metales mecanizables: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Aceros al carbono. Aceros aleados. Aceros inoxidables. Fundición. Aleaciones termo resistente y de alta resistencia. Aceros aleados de alta resistencia. Metales refractarios aleados. (Columbium, Tantalio, Molibdeno y Wolframio). Aceros al titanio aleados. Aceros aleados de alta resistencia en base cobalto o níquel. Aleaciones de Titanio Aleaciones de aluminio, cobre, níquel, magnesio, uranio,cinc. Composites (requiere herramientas especiales).

S

Plásticos y compuestos plásticos

S

Cerámicos, a los que preferiblemente se les aplica el mecanizado abrasivo

„

Maquinabilidad de los metales

La maquinabilidad se define como la capacidad de arrancar material de la pieza con un útil de corte o la habilidad del material a ser mecanizado, esta se evalúa mediante la realización de una serie de ensayos en los que se determina las siguientes características:

S S S S S S S

La duración del afilado de la herramienta. La velocidad de corte que debe aplicarse La fuerza de corte en la herramienta / potencia. El trabajo de corte. La temperatura de corte. La producción de viruta. Acabado superficial.

FACTORES QUE AFECTAN LA MAQUINABILIDAD:

S

Material de la pieza. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

S

Composición química del material. Tipo de microestructura. Inclusiones. Dureza y resistencia. Ductilidad y acritud. Tamaño del grano. Conductividad térmica. Presencia de aditivos libres.

Condiciones de corte. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Arista de corte. Portaherramienta. Máquina herramienta. Operación. Régimen de corte

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

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Existen aceros de alta maquinabilidad, también denominados aceros automáticos, que se caracterizan por tener en su composición química una serie de aditivos libres como son el azufre, el plomo, el selenio, el manganeso y el fósforo. ANTECEDENTES DE LA PIEZA A MECANIZAR. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas favorables para el mecanizado, normalmente las piezas han sido sometidas a procesos térmicos como el laminado en caliente, normalizado, recocido y estirado en frío, excepcionalmente han sido templadas, ya que con este proceso, estas se han endurecido, lo cual no facilita la maquinabilidad.

3. PROCEDIMIENTOS EMPLEADOS EN EL ARRANQUE DE MATERIAL Las máquinas herramientas para efectuar el mecanizado se basan en los siguientes procedimientos:

S S S S S S

Mediante cuchillas. Mediante abrasivos. Mediante chispas eléctricas. Mediante ultrasonidos. Mediante un chorro electrónico que volatiliza el material. Mediante electrólisis dirigida.

Exceptuando el corte mediante cuchillas, en el que el material arrancado aparece formando tiras fragmentadas (si este es frágil) o continuas (si este es muy dúctil), en el resto de procedimientos se desprenden pequeñísimas partículas. „

Movimientos que se realizan en el mecanizado

El arranque de viruta o partícula se realiza mediante la penetración de una herramienta, cuyo material es de mayor dureza que el de la pieza a cortar. Este enclavamiento ocurre mientras se efectúa el movimiento relativo entre la pieza a trabajar y la herramienta de corte, como se muestra en la figura 1.

Figura 1. Giro y penetración de la broca en la superficie de la pieza.

TIPOS DE MOVIMIENTOS A REALIZAR EN EL MECANIZADO.

S

Movimiento de corte: Es el que permite que la herramienta penetre en el material, produciendo viruta, y se identifica a través del parámetro Velocidad de corte.

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TECNOLOGÍA MECÁNICA

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S

Movimiento avance: Es el desplazamiento del punto de aplicación de corte, identificado a través del parámetro Velocidad de avance.

S

Movimiento de alimentación: Es con el que se consigue cortar un espesor de material, identificado a través del parámetro Profundidad de pasada. La herramienta y la pieza se fijan a la máquina, esta última es la encargada de transmitirle a las primeras, el movimiento de corte y el de avance, ya sean de rotación o traslación, indistintamente, dependiendo del tipo de trabajo a realizar y de la máquina que lo ejecuta. Por ejemplo en un torno universal, el movimiento de corte lo ejecuta la pieza cuando gira, el movimiento de avance es el desplazamiento de la herramienta en la dirección longitudinal o transversal, y por último el de alimentación, esta última lo realiza en la dirección perpendicular al de avance. „

Tipos de mecanizado.

Según el acabado superficial con el que se ha de obtener la pieza terminada, se distinguen tres tipos de mecanizado:

S

Desbastado: El material eliminado es del orden de milímetros o décimas de milímetros, cuya finalidad es aproximar las dimensiones de la pieza a la medida final, en el menor tiempo posible desplazando la cuchilla de corte con altas velocidades de avance y de corte.

S

Acabado: Con el objetivo de obtener, no solo las medidas finales de la pieza, sino también poca rugosidad en la superficie, el material eliminado es del orden de centésimas de milímetro utilizando cuchillas de corte que trabajaran con velocidades de avance bajas y velocidades de corte más altas que en el desbaste.

S

Superacabado o rectificado: Con la finalidad de alcanzar medidas muy precisas y buen acabado superficial, el material rebajado es del orden de milésimas de milímetro y las velocidades de avance y de corte, con que se trabaja son muy altas, desprendiéndose partículas de material por abrasión.

Teniendo en cuenta el tipo de pieza a elaborar, la operación a aplicar, el acabado requerido y la máquina que lo realiza, existen diversos procesos de mecanizado, de los cuales en la tabla 1 se muestran los más usuales. Las fotos que se muestran en la tabla 1, han sido extraídas de los catálogos ofrecidos por cortesía de las siguientes las empresas: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Manual Sandvik Coromant. Estarta Rectificadora S. Coop. Hitachi Seiki Co., Ltd. Euro Sprint, Rectificadoras. Danobat, División de Sierras. Pferd – Rüggeberg, S. A. Muelas con mango. Gurutzpe, Máquinas Herramienta. Heidenreich & Harbeck, Makino. Máquinas de Eelctroerosión. Laserlan, Corte de presición con láser. Couth, MC 2000.

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

TIPO DE GEOMETRÍA GENERADA

Superficies de revolución

TIPOS DE PROCESOS DESBASTE y ACABADO (Virutas) SUPERACABADO (Partículas) Denominación Movimiento Denominación Movimiento Rectificado Cilindrado Cilíndrico Exterior (Exterior) Torneado Refrentado Mandrinado Rotación de la (Interior) La pieza gira y la pieza y de la herramienta se Ranurado herramienta desplaza. Roscado Torneado de forma

(1)

Fresado

(2)

Frontal

Rectificado plano

Cilíndrico Ranura Contorno

(3) Superficies planas

Agujeros

(4)

Cizalladora Cepilladora Limadora Mortajadora

La herramienta y la pieza se desplazan.

Aserrado

La herramienta gira y/o se desplaza

Taladrado y Mandrinado (7)

Punteado Barrenado Avellanado Bruñido Escariado

La herramienta gira y se desplaza.

Electroerosión Penetración Hilo

Sierra Alternativa (5)

Rectificado Cilíndrico Interior Lapeado

(8)

La herramienta gira y la pieza se desplaza.

La herramienta gira y se desplaza. (6)

(8)

Oxicorte Corte por Láser (9) Electromecanizado (10) Corte por plasma Ultrasónico

Sierra de disco (6)

Amolado La herramienta y la pieza se desplazan.

Contorno irregular

Otros

La herramienta gira y la pieza se desplaza.

La herramienta gira y la pieza se desplaza.

(9)

Tabla 1. Principales procesos de mecanizado.

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(10)

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4. PROCESO DE ARRANQUE DE MATERIAL POR MEDIO DE CUCHILLAS De los procedimientos utilizados para el mecanizado, en este capitulo se estudiará el mecanizado mediante cuchillas, donde el material arrancado se presenta en forma de virutas. Concretamente se profundizará en los procesos de Torneado de desbaste, Torneado de acabado y Taladrado. Las características de las cuchillas utilizadas en el proceso de arranque de viruta se basan fundamentalmente en el buril, que fue la primera herramienta utilizada para este fin, y como se observa en la figura 2, no es más que una barra rectangular de acero, afilada en su extremo como un diedro. Superficie de ataque

Viruta

Buril Superficie de incidencia Pieza

Figura 2. Corte de pieza con buril.

La forma de la herramienta para cada trabajo se selecciona según las operaciones específicas a realizar y la máquina herramienta correspondiente. „

Formación de la viruta

El arranque de viruta ocurre cuando el filo de la herramienta produce primeramente la deformación elástica de la parte de metal que se convertirá en viruta, surgiendo grandes tensiones a medida que se aproximan y luego una vez que el material supera la tensión de fluencia, ocurre la separación de la capa debido a la deformación plástica. Para realizar cualquier operación de mecanizado es importante controlar la formación de la viruta, con el objetivo de garantizar que esta sea rota adecuadamente y conocer el tipo de viruta que se formará, ya que esta indica el tipo de comportamiento que manifiestan los diferentes metales ante la acción de la cuchilla de corte y por ende que temperaturas y fuerzas serán generadas. Las temperaturas alcanzadas durante el corte, tanto en la pieza como en la herramienta, no deben ser muy altas, ya que pueden influir negativamente, y las fuerzas que se producen condicionan la potencia necesaria para realizar el proceso. Tipos de viruta:

S

Viruta continua de bordes lisos: aparece en materiales dúctiles, aplicando avances y profundidades pequeñas y velocidades de corte altas, superficies de ataque muy pulida, bajo coeficiente de rozamiento, alta resistencia al desgaste y refrigeración considerable. Con este tipo de viruta se obtiene buen acabado.

S

Viruta continua de caras irregulares: aparece en materiales dúctiles, pero con grandes avances y velocidades de corte pequeñas y la refrigeración es insuficiente o nula. El alto rozamiento entre viruta y herramienta desprende pequeñas partículas que se adhieren a la herramienta, originando un recrecimiento del filo que luego se rompe en dos, una se adhiere a la pieza y otra la viruta, provocando que la superficie mecanizada sea rugosa.

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S

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Viruta discontinua: ocurre en materiales frágiles, con ángulos de afilados y velocidades de corte pequeñas, con avances y profundidades de corte grandes, elevada fricción entre herramienta y viruta.

Parámetros que influyen sobre la formación de viruta:

S S S S

Material de la pieza y de la herramienta. Diseño de la geometría de corte. Refrigeración y lubricación en el proceso de corte. Vida útil de la herramienta.

„

Características de las herramientas de corte

Funciones que deben cumplir las herramientas de corte, según el requerimiento planteado: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Garantizar la obtención de medidas precisas y superficies bien acabadas. Mecanizar cualquier tipo de material. Ofrecer máximo rendimiento con el mínimo desgaste. Disponer de una larga duración del filo de corte, ya que se ahorran afilados. Lograr que la viruta salga fácilmente. Capaz de absorber elevadas temperaturas. Soportar grandes esfuerzos de corte sin deformarse. Resistentes al desgaste.

Estas prestaciones se alcanzan haciendo una selección adecuada del material y de la geometría de las herramientas, basándose en los siguientes aspectos: ƒ ƒ ƒ

Tipo de operación a realizar. Tipo de material de la pieza. Tipo de herramienta y máquina a utilizar.

Por ejemplo en un centro de torneado de alta velocidad no es posible utilizar una herramienta de acero al carbono, así como también si se quisiera mecanizar piezas templadas. Propiedades que den poseer los materiales para herramientas: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Tenacidad (resistencia al choque). Resistencia al desgaste. Dureza en caliente. Químicamente inerte con la pieza. Químicamente inerte estable ante la oxidación y disolución.

A manera de información se mencionarán todos los materiales de herramientas hasta ahora utilizados, teniendo en cuenta que, con el desarrollo alcanzado en la tecnología de los materiales (concretamente de las herramientas de corte) y en las máquinas herramientas, algunos son muy pocos utilizados. Hay que señalar que esta evolución ha ocurrido a lo largo de todo el siglo veinte, haciéndose más notoria a partir de la década del treinta. No solo han surgido novedosos materiales, sino que también se han mejorado los existentes, siempre persiguiendo alcanzar velocidades de corte cada vez más elevadas. También este desarrollo ha sido posible por los avances en otras áreas como son: sistemas de fijación de piezas y de herramientas, técnicas informatizadas y de medición. En la figura 3 están representados todos y cada uno de los materiales existentes, no solo de manera cronológica, sino que también, en función del tiempo (eje de ordenadas) que tardaba en mecanizarse una pieza patrón.

© los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

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Figura 3. Evolución del rendimiento de los materiales para herramientas, cortesía de Sandvik Coromant.

En la figura 4 se representa el desarrollo alcanzado por las máquinas herramientas y sus aplicaciones.

Figura 4. Desarrollo de las aplicaciones industriales, cortesía de Sandvik Coromant.

Por supuesto que desde 1990 hasta la fecha han ocurrido cambios significativos no solo en la versatilidad de la fabricación en las máquinas sino también en el desarrollo de técnicas asistidas por computadora de diseño (de piezas y herramientas), de manufactura y de ingeniería, formando un conjunto identificado por las siglas CAD-CAM-CAE, y que a su vez se resumen en el concepto CIM: Manufactura Integrada por Computadora. Estas técnicas se resumen de manera general en el último capítulo.

S

Materiales para herramientas de corte. Para cada operación de mecanizado, que se aplicará a un material determinado, existe un material de herramientas que la ejecute de forma óptima.

© los autores, 2000; © Edicions UPC, 2000.

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Materiales: ƒ

Aceros al carbono: Aceros con un contenido en carbono de entre 0,5 y 1,4%. La templabilidad es pequeña por lo que son propensos a grietas y deformaciones. Pertenecen al grupo del F-510.

ƒ

Aceros aleados: Pertenecen a los grupos F-520 y F-530. Contienen además de carbono Cr y W. El temple se realiza a 800ºC y el revenido entre 200ºC y 300ºC por lo que es más tenaz y duro que el acero al carbono. Aún así resiste poco las elevadas temperaturas (superiores a 280ºC) por lo que se emplean normalmente en acabados y para metales poco duros. Ver tablas de aceros al carbono y aleados del autor “Arias Lasheras”. Estos dos primeros aceros, debido a los bajos niveles de aleación tienen muy poca dureza en caliente por lo que no se utilizan actualmente excepto en condiciones de velocidades muy bajas.

ƒ

Aceros rápidos: Pertenecen al grupo F-550. Existen dos tipos, aceros rápidos al Wolframio o de Cobalto lo cual hace mejorar sus condiciones de corte. Contiene también cromo molibdeno y vanadio. Tienen mayor dureza que los anteriores y pueden trabajar a temperaturas de hasta 600ºC. Las velocidades de corte pueden así ser mayores. Generalmente, todo el cuerpo de la herramienta suele fabricarse con el mismo material, es decir son enterizas.

ƒ

Aceros rápidos mejorados o de alta velocidad: Se identifican con las siglas HSS del inglés High Speed Steel. Son aceros de herramientas altamente aleados.

ƒ

Existen dos tipos: - De Tugnsteno, designado como grado T por American Iron and Steel Institute (AISI). - De Molibdeno, designado como grado M por American Iron and Steel Institute (AISI) Adecuado para herramientas de forma complicada: Brocas, Tarrajas, Fresas de vástago. En ocasiones se recubren con una película de Titanio, mediante el método Deposición Física de Vapor (PVD).

ƒ

Aleaciones no ferrosas: Denominados Estelitas. No son aceros, sino aleaciones de cobalto, cromo y wolframio con otros elementos en menor porcentaje, hierro, carbono, silicio y manganeso. Soportan temperaturas de hasta 700 ºc. La estelita más conocida es la alacrita. Aunque son de mayor dureza que los aceros rápidos, dada su fragilidad (no admiten tratamientos térmicos) han sido sustituidas por los metales duros, están en desuso.

ƒ

Metales duros: Cermets, Carburos cementados y Carburos recubiertos Los tres metales duros están clasificados técnicamente como compuestos Cermets, que significa partículas de cerámica en aglomerante metálico, lo único que el término propiamente se aplica a los compuestos cerámicos metálicos que contienen carburo y nitruro de titanio (TiC, TiN) y otros materiales cerámicos. - Carburos cementados: Son cermets basados en Carburos de Tugnsteno y cobalto (WCCo), conocidos como carburos de uso común. Es un producto pulvimetalúrgico que consiste en carburos metálicos sinterizados y se les llama comúnmente WIDIA, del alemán wi (como) y dia (diamante), ya que alcanzan una dureza de 90HRc, próxima a la del diamante. Tienen gran dureza y resistencia a las altas temperaturas (soportan hasta 800ºC) por lo que se puede trabajar a elevadas velocidades de corte. El único problema que se plantea es su fragilidad por lo que se ha de tener cuidado con los golpes y vibraciones de trabajo, sobre todo si tienen titanio.

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Existen dos tipos: 1. Carburos de Tugnsteno (Wolframio) (WC) y cobalto (Co) como elemento aglutinante. Designados como TH, BT, GT. Se utilizan para el mecanizado de aluminio, latón, cobre, magnesio, y otros metales no ferrosos, en ocasiones se usa para el hierro fundido, no incluyen el acero. 2. Además de WC tiene otros compuestos como son los carburos de titanio (TiC) y tántalo (TaC), designados como TT y AT. Se utilizan para el mecanizado de Acero bajo en carbono, inoxidable y otras. - Cermets: Estos excluyen los compuestos metálicos que se basan principalmente en WCCo. Consiste en combinaciones de carburos de titanio (TiC), nitruro de titanio (TiN) y carbonitruro de titanio (TiCN), usando níquel y/o molibdeno como elemento aglutinante, carburos de niobio (NaC). Se usa en el mecanizado de fundiciones de hierro, aceros y aceros inoxidables. No son apropiados para operaciones de perfilado, pero sí en copiado ligero, donde el criterio fundamental es el acabado y también donde se quiera aumentar la productividad en operaciones especiales. - Carburos recubiertos: Son carburos cementados recubiertos de una o más capas de carburos de titanio (TiC) [es gris], nitruro de titanio (TiN) [es dorado], carbonitruro de titanio (TiCN) y de oxido de aluminio-cerámica (Al2O3) [es transparente]. El método utilizado para recubrir es el de Deposición Química de Vapor (CVD). Posee una alta resistencia al desgaste al igual que los anteriores pero sin disminuir la tenacidad. Este tipo de material debe usarse para la mayoría de operaciones de torneado, fresado y taladrado y para casi todos los materiales de piezas. ƒ

Cerámicas de corte Existen dos tipos: 1. Con base en óxidos de aluminio (alúmina) (Al2O3) a los que se adiciona óxido de cromo o titanio por sinterización. 2. Con base en nitruro de silicio (Si3N4). Son herramientas resistentes a elevadas temperaturas (superiores a 1200ºC). Pueden trabajar a grandes velocidades de corte y con grandes profundidades de pasada (5 mm) y no reaccionan con el material de la pieza. Las superficies resultan brillantes en operaciones de acabado. Se presentan en plaquitas, las cuales son muy frágiles y deben utilizarse en máquinas de bajo nivel de vibración. Mayormente se utilizan en el mecanizado de fundición gris y nodular, aceros duros y aleaciones termoresistentes, aunque aún hay porcentaje pequeño de herramientas de este tipo

ƒ

Diamante polocristalino sintetico (PCD). Solo le supera en dureza el diamante natural monocristalino. Debido a que son muy caras y frágiles son empleadas en contadas ocasiones y en máquinas rígidas que trabajan a grandes velocidades pero con profundidades y avances muy pequeños. Tiene una gran resistencia al desgaste por abrasión, por lo que se utiliza en las muelas de rectificar para obtener acabados superficiales de gran precisión. Se usa para el torneado y fresado principalmente de aleaciones de aluminio y silicio. Las plaquitas de PCD se sueldan a las de metal duro, proporcionando mayor resistencia al choque y además mayor vida útil de la herramienta. Tienen como desventaja que no se pueden usar en materiales ferrosos debido a su afinidad, tampoco en materiales tenaces y de alta resistencia a la tracción, y en la zona de corte la temperatura no debe ser superior a 600 ºc.

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ƒ

Nitruro de boro cúbico (CBN). Ocupa el segundo lugar en cuanto a dureza, después del diamante, es frágil pero su tenacidad es superior a la de las cerámicas, sin embargo su dureza en caliente y su estabilidad química no supera a las de esta. Se aplica en el corte de aceros forjados, aleaciones de alta resistencia al calor, aceros y fundiciones endurecidas, con durezas mayores que 48 HRc (si la pieza tiene muy poca dureza, se desgasta excesivamente la herramienta) y en metales pulvimetalúrgicos con cobalto y hierro. Se obtienen muy buenos acabados superficiales, por lo que elimina una operación de rectificado.

ƒ

Coronite. Es un material nuevo, intermedio entre el acero rápido y el metal duro, ya que combina la tenacidad del primero con la resistencia al desgaste del segundo. Su propiedad principal es el tamaño de grano extremadamente fino, que es el que da la dureza. Se aplica principalmente al mecanizado de aceros y también en aleaciones de base titanio y otras aleaciones ligeras y generalmente solo se usa para construir fresas de ranurar. Con una técnica especial, los pequeños granos de TiN son repartidos uniformemente en una matriz de acero termotratable, esta mezcla representa entre un 35 y 60 % de todo el material, por lo tanto el material duro dominante de coronite es el TiN. No se fabrican enterizas, tiene un núcleo de acero rápido o de muelles, que se recubre con polvo de coronite (producido adicionando nitrógeno en un horno de doble cámara) y se prensa, formando un solo cuerpo frágil, por último es recubierto con TiCN o con TiN. Coronite presenta propiedades ventajosas respecto a las del acero rápido y el metal duro, por ejemplo manifiesta mayor duración y fiabilidad del filo, puede utilizarse en la mayoría de los materiales de piezas y en un número considerable de operaciones, se consiguen magníficos acabados superficiales.

S

Clasificación de las plaquitas de metal duro

Para la gran variedad de metales duros que existen, cada fabricante le ha asignado una denominación diferente, pero la selección por parte de los usuarios, requiere de un sistema de clasificación que indique las operaciones, condiciones y materiales a trabajar. La norma ISO estableció una clasificación según sus aplicaciones, dividiéndolo en tres grupos identificados con colores y letras y números. Los grupos de herramientas son: P- Azul, M- Amarillo, K- Rojo. En ocasiones los fabricantes suministradores de herramientas aporta unas tablas, en las que para cada grupo están indicadas gráficamente las distintas áreas de aplicación, mediante un símbolo ( ) que especifica con un punto optimo la parte del área más adecuada. Esta simbología no informa nada acerca de las calidades individuales que puede haber dentro del mismo código. Por ejemplo una plaquita P20 puede ser un carburo cementado con o sin recubrimiento o ser un cermet. Por lo que, si no se indica otra especificación de calidad del producto, existe un gran número de posibilidades con diferentes comportamientos que reportan distintos resultados económicos. De aquí que la clasificación ISO sea un punto de partida a tener en cuenta en la selección de la herramienta y de las posibles calidades, para una determinada aplicación. Luego, se deben cotejar las descripciones detalladas de calidad de los materiales que aporta cada suministrador, con las de la operación a realizar, para finalmente hacer la elección, teniendo como objetivo, conseguir el costo de mecanizado más ahorrativo. La clasificación ISO no hace referencia a las Cerámicas, Coronite, CBN o PCD. La identificación numérica permite seleccionar a priori según dos propiedades mecánicas de la plaquita y según el tipo de operación: Desbaste o Acabado. Las plaquitas van enumeradas de forma que, a menor número implica mayor dureza y menor tenacidad, alta velocidad de corte, pequeña sección de viruta y operación de acabado y a mayor número implica menor dureza, mayor tenacidad, velocidad de corte lenta, mayor sección de viruta y operación de desbaste.

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Tipo de plaquita

P

M

K

Aplicaciones generales Mecanizado de aceros, aceros fundidos, aceros inoxidables y fundiciones maleables. (viruta larga) Mecanizado de aceros inoxidables austeníticos, aceros al manganeso, materiales resistentes al calor, aleaciones de hierro fundido, etc. (viruta larga y corta) Mecanizado de fundición gris y fundiciones duras de coquilla, aceros duros y metales no ferrosos como el aluminio, bronce, no metales como los plásticos, madera, ebonita, materiales termoplasticos. (viruta corta)

Grupo (Según operación: desbaste o acabado) Grupo 01: Corresponde al torneado y mandrinado de acabado, sin cortes intermitentes y a elevadas velocidades de corte, avances pequeños y pequeñas profundidades de corte.

Característica mecánica Resistencia al desgaste

Grupo 25: Se considera el campo medio, es el área de semidesbaste o semiacabado. Grupo 50: Para operaciones de desbastes, que arrancan gran volumen de viruta y trabajan a bajas velocidades de corte. Tenacidad

Tabla 2. Aplicaciones generales de las plaquitas de metal duro. (la magnitud de la resistencia y la tenacidad aumenta en la dirección de las flechas).

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

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En la tabla 3 se presentan más detalladas las aplicaciones y condiciones de corte. Designación P01 PIO P20 P30

P40

P50

MIO M20 M30 M40 K0l KIO K20 K30 K40

Aplicación Torneado y mandrinado en acabado, elevadas velocidades de corte, sección de viruta pequeña, muy buena precisión y calidad superficial, exento de vibraciones. Torneado por copiado, roscado, fresado, grandes velocidades de corte, sección de viruta entre pequeña y mediana. Torneado, copiado, fresado, velocidades de corte medias y viruta de sección media, refrentados ligeros. Avances medios. Torneado, fresado, y cepillado a velocidades de corte de medias y pequeñas, viruta de sección media a grande, incluyendo operaciones bajo condiciones desfavorables. Avances medios y grandes. Torneado, cepillado, fresado, mortajado, con bajas velocidades de corte bajas y avances grandes, amplia sección de viruta, posibles elevados ángulos de desprendimiento y en condiciones muy desfavorables. Torneado, cepillado, mortajado, ranurado, tronzado, donde se requiera una gran tenacidad de la herramienta, pequeñas velocidades de corte, sección de viruta grande, posibilidad de utilizar grandes ángulos de desprendimiento, operaciones en condiciones extremadamente desfavorables. Torneado, velocidades de corte de medias y altas, sección de virutas de pequeñas a medianas y avances bajos y medios. Torneado, fresado, avances y velocidades de corte medias y sección de viruta mediana. Torneado, fresado, cepillado a velocidades de corte media y avances intermedios y grandes, sección de viruta de mediana a gruesa. Torneado, perfilado, tronzado, para trabajos en especialmente en máquinas automáticas. Torneado de desbaste y acabado, mandrinado y fresado en acabado, rasqueteado. Torneado, fresado, taladrado, mandrinado, escariado, brochado, rasqueteado. Operaciones que necesitan una herramienta con alta tenacidad. Torneado, fresado, cepillado, mandrinado, escariado, brochado, Torneado, fresado, cepillado, tronzado, ranurado y mortajado. Posibilidad de usar grandes ángulos de desprendimiento en condiciones desfavorables. Torneado, fresado, cepillado, tronzado, mortajado en condiciones muy desfavorables. y posibilidades de ángulos de desprendimiento muy grandes. Tabla 3. Identificación de la calidad de la plaquita según todas las especificaciones.

Las condiciones desfavorables pueden ser en cuanto a: piezas o material difícil de mecanizar, a diferente profundidad de corte, vibraciones, corte interrumpido, a durezas variables, otros. Como se ha visto, a partir de los metales duros, dado su alto coste, la parte cortante de las herramientas se construye en forma de plaquita, ésta luego se suelda al soporte de la herramienta o se fijan por medios mecánicos. En la foto de la figura 5 se ilustran diferentes formas de plaquitas.

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Figura 5. Diferentes formas de plaquitas de metal duro, cortesía de Sandvik Coromant.

S

Geometría del filo de corte

Como se ha visto anteriormente, la geometría básica de la herramienta de corte es en forma de cuña, cuyo filo cortante es el encargado de separar la viruta de la pieza. Según el número de filos cortantes de las herramientas, estas se dividen en dos grupos: ƒ ƒ

Herramientas de corte único, por ejemplo cuchillas de tornear, cepillar. Herramientas de corte múltiple, por ejemplo brocas, fresas, escariador.

La geometría del filo de corte depende de: ƒ ƒ ƒ

Dureza del material con el que se trabaja. Material de la herramienta. Clase de trabajo a realizar.

Basta con estudiar la geometría del filo de las herramientas simples, ya que este es el mismo para las múltiples, lo que aplicado a cada filo, por eso se tomará como ejemplo la cuchilla de tornear. La dimensión, forma y posición de las partes de la herramienta están dadas según un sistema de ejes ortogonales, cuyo punto cero está en la punta del filo. Este sistema es de utilidad para identificar los diferentes ángulos del filo de la herramienta y los parámetros de corte establecidos por los movimientos que se ejecutan en el proceso (a, p y Vc), así como también para conocer el comportamiento de la herramienta durante su funcionamiento y calcular las componentes de la fuerza generada en el corte. Superficie de Corte

Planos de referencia

Corte (Vc)

Z

Superficie de Trabajo PC

PN

X

Avance (a)

Y

PR Profundidad (p) Figura 6. Planos de referencia y movimientos de trabajo en el torno.

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

A partir de este sistema ortogonal se establecen los siguientes planos de referencia de la herramienta: ƒ ƒ ƒ

Plano de referencia: Paralelo a la base de la herramienta. “PR”. Plano de corte: Es perpendicular al de referencia y contiene la arista de corte principal. “PC”. Plano de profundidad: Es perpendicular a los dos primeros y tangente a la generatriz de la pieza. “PN”.

Geometría de la cuchilla de tornear. Filo de Corte Principal Superficie de Incidencia (oculta)

Filo de Corte Secundario Superficie de Incidencia Secundaria

Superficie de Ataque

Cuerpo

Figura 7. Elementos de la cuchilla de tornear.

Ángulos característicos del filo de la herramienta. ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Ángulo de incidencia principal (α). Ángulo de filo (β). Ángulo de desprendimiento o de ataque (γ). Ángulo de corte δ. Ángulo de punta. (ε) Ángulo de inclinación de arista. Ángulo de inclinación (λ). Ángulo de posición principal (χ). Ángulo de posición secundaria (χ1). Ángulo de oblicuidad del filo principal (θ).

α + β + γ = 90º. δ=α+β Si la herramienta es recta χ = θ

θ

Figura 8. Ángulos de la cuchilla de tornear.

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Material de la Pieza Acero suave Acero semiduro Acero duro Acero duro Acero aleado Acero fundido Acero fundido duro Fundición gris Fundición dura Cobre Latón Bronce Aluminio Aluminio aleado Aleación de magnesio Goma dura Porcelana

Resistencia o dureza 2

Kg/ mm o HB

45 60 80 90-110 150 50 50-80 180 HB 220 HB 60-80 HB 80-120 HB 100 HB 20 20-25 20 -

Material de la Cuchilla HSS MD α γ β α γ β 6 20 64 5 12 73 6 18 66 5 10 75 6 16 68 5 8 77 6 10 74 5 6 79 6 8 76 5 0 85 6 15 69 5 10 75 6 8 76 5 0 85 6 10 74 5 6 79 6 6 78 5 2 83 8 30 52 8 20 62 8 12 70 8 10 72 8 12 70 8 12 70 10 30 50 10 20 60 10 20 60 10 18 62 8 20 62 8 18 64 12 10 68 10 10 70 5 0 85

Ángulo de posición: χ = 30: 45 º En máquinas potentes con pasada sin vibración. χ = 65: 70 º Para trabajos varios. χ = 90º Piezas poco rígidas. Ángulo de inclinación: λ puede ser positivo, negativo o cero. Tabla 4. Valores recomendados para los ángulos de la cuchilla.

„

Influencia que ejercen los ángulos característicos

Ángulo de filo: Para materiales duros el ángulo de corte debe ser grande para dar robustez. Para materiales blandos el ángulo de corte puede ser menor. Este ángulo será diferente en función del tipo de trabajo a realizar. Ángulo de incidencia: Si es grande el filo resultará más débil y si es pequeño tiene un mayor rozamiento dificultando la penetración y arranque de material con elevación considerable de la temperatura. Hemos de escoger un ángulo intermedio. Ángulo de desprendimiento: Si el ángulo es excesivamente pequeño la separación de viruta es más dificultosa al tener que salvar una pendiente más pronunciada. Si el ángulo es demasiado grande la viruta se desprende muy bien pero a costa de desgastar el filo. Para la elección del ángulo de incidencia y de desprendimiento óptimos nos guiaremos por la siguiente tabla que depende del material de la pieza y el tipo de herramienta.

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

5. PROCESO DE TORNEADO Tipos de tornos que existen:

S S S S S S S S S S

Tornos paralelos de cilindrar y roscar. Tornos de sobremesa. Tornos copiadores. Tornos verticales. Tornos frontales. Tornos revolver. Tornos automáticos monohusillo y multihusillo. Tornos especiales: para ejes de ferrocarril, ejes de levas, relojeros. Tornos horizontales con CNC. Tornos verticales con CNC.

„

Tipos de cuchilla de tornear según la dirección del avance

Existen varias teorías que definen el tipo de cuchilla de tornear en cuanto a la dirección del avance y todas válidas. Aquí se expresa la que se considera más intuitiva. Las cuchillas de torno se clasifican en derechas e izquierdas, según la regla de la mano derecha e izquierdas respectivamente, teniendo en cuenta la posición del filo principal con respecto a la dirección del avance y la del dedo pulgar de la mano correspondiente.

Filo Principal

Filo Principal

Sentido de avance

Cuchilla Derecha

Cuchilla Izquierda Figura 9. Tipos de la cuchilla de tornear.

„

Operaciones de torneado

Existen diferentes operaciones de torneado como las que se muestran.

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En la figura 10 están representadas las operaciones de torno más comunes:

S S S S S S S S S

Cilindrado a Izquierda. Cilindrado a Derecha. Cilindrado de forma Ranurado y Tronzado. Roscado. Taladrado. Mandrinado. Ranurado Interior. Roscado Interior. Pieza a mecanizar

9 7

6

Herramientas de mecanizado exterior

Cuchilla de cilindrar y refrentar derecha

Cuchilla de Cilindrar y refrentar izquierda

Cuchilla de roscar

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Cuchilla de ranurar y tronzar

Cuchilla de forma

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Herramientas de mecanizado interior

Cuchilla de mandrinar

Cuchilla de ranurar interior

Cuchilla de roscar interior

Broca

Figura 10. Operaciones de torno, indicadas con número sobre el dibujo de la pieza.

6. OPERACIONES EN TORNEADO SEGÚN LA CANTIDAD DE MATERIAL ARRANCADO POR ETAPA Consiste en arrancar material de nuestra pieza mediante unas herramientas determinadas para conseguir unas dimensiones deseadas. Podemos distinguir en el torneado 2 fases dependiendo de la cantidad de material que se arranca en cada etapa o pasada.

S

Desbastado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances rápidos rebajamos el material del orden de milímetros hasta ajustar la medida a un milímetro o décimas de milímetros.

S

Acabado: Mediante herramientas de corte de viruta de cuchillas con avances lentos y velocidades de corte rápidas rebajamos material del orden de centésimas de milímetro.

7. CÁLCULO DE MOVIMIENTOS EN TORNEADO Calcularemos los movimientos en el caso de un torneado de cilindrado para el desbaste y el acabado. Los cálculos para el avance, la profundidad, el diámetro medio, la velocidad de corte y la velocidad de avance, son diferentes para acabado o para desbaste por lo que distinguiremos claramente la forma de abordarlos. Los tiempos del proceso, costos, fuerzas y potencias de corte se estudian conjuntamente, ya que no hay diferencia. „

S

Avance y profundidad de corte Avance y profundidad de corte en torneado de desbaste.

Cuando queremos obtener una pieza cilíndrica se suele partir de un redondo de material cortado. Estos redondos son de una medida estándar y se eligen en función de la pieza a obtener. Como ya se ha comentado se suelen realizar dos operaciones el desbaste y el acabado. En el desbaste se elimina la mayor parte del material sobrante sin preocuparse de la rugosidad. Esta es la forma de arrancar mucha viruta de forma rápida. El desbaste puede hacerse en varias pasadas, es decir, la herramienta va arrancando capas de material de una misma zona en etapas sucesivas, pero nosotros siempre calcularemos el desbaste para una etapa o pasada. Aunque en desbaste la rugosidad no importa a priori, si importa en la última pasada de desbaste en que se debe cumplir siempre que la rugosidad del desbaste R sea menor que la profundidad del acabado pa es decir: R < pa . Es preciso que esto se cumpla ya que si R es mayor que pa la herramienta en el desbaste profundizará mucho y al hacer el acabado quedarán picos por debajo y por lo tanto rugosidad más elevada.

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Rpa

Desbastaremos la pieza dejando pa desde la superficie para proceder después con el acabado. La profundidad que alcanzamos con el desbaste se le denomina profundidad de desbaste pd.

S

La punta de la herramienta

La punta de la herramienta puede ser quebrada o redondeada.

S

Si la punta es quebrada

En desbaste sabemos qué rugosidad media Ra deseamos, ya que R < pa . Y como aproximadamente R = 4 Ra podemos deducir la Ra. Por otro lado a partir del dibujo podemos hallar el avance del desgaste ad.

En el primer caso más general, ad = (R/tagX) + (R/tagX’) En el que X = 90º tenemos que ad = (R/tagX’) A partir de ad obtenemos pd = 5 ad

S

Si la punta es redondeada

Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r (denominado radio de acuerdo).

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Módulo 5. Mecanizado por arranque de viruta

Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la parte curvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición:

a d ≤ 2r cos

ε 2

Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta. De igual forma también se debe cumplir que:

pd > r Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula:

a d = 32.Ra.r.10 −3 (mm) Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio de acuerdo. A partir de ad obtenemos pd = 5 ad

S

Avance y profundidad de corte en torneado de acabado

Cuando mecanizamos una pieza el objetivo final que nos marcamos es obtener una medida determinada con cierta tolerancia o calidad superficial. El primer paso será desbastar la pieza hasta una medida próxima a la medida final con baja calidad superficial pero siempre cumpliendo que la rugosidad del desbaste Rt desb sea menor que la profundidad del acabado pa. Rt desb < pa Es por esta razón que antes de desbastar debemos tener en cuenta la operación de acabado y hallar cual debe ser la profundidad del acabado. Debido a que en el acabado debemos aumentar la calidad superficial de la pieza el avance y la profundidad serán mínimas. Por otro lado debemos evitar las crestas de rugosidad. Al aumentar la velocidad de corte se consigue rebajarlas y redondearlas, por lo que trabajaremos a velocidades de corte elevadas. Otra diferencia con el desbaste es que resulta muy difícil conseguir bajas rugosidades si la punta de la herramienta es quebrada por lo que trabajaremos siempre con puntas redondeadas. De hecho en las herramientas, aunque sean de acero rápido, siempre existe un pequeño radio en la punta debido al desgaste.

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S

La punta de la herramienta es redondeada

Se introduce una herramienta cuya punta no es quebrada sino que posee una redondez de radio r (denominado radio de acuerdo).

Se supone que el avance viene determinado por la hipótesis que permite introducir sólo la parte curvilínea de la herramienta en la pieza, esto nos da que debe cumplir la condición: a a ≤ 2 r cos

ε 2

Donde r es el radio de acuerdo y ε el ángulo de punta. De igual forma también se debe cumplir que: pa > r Si se cumplen ambas podemos aplicar la fórmula:

a a = 32. Ra. r.10−3 (mm) Donde Ra (µm) es la rugosidad media teórica que queremos conseguir y r (mm) es el radio de acuerdo. A partir de aa obtenemos pa = 10 aa „

S

Diámetro medio Diámetro medio en desbaste

Debido a que partimos del redondo de material inicial el cálculo del diámetro medio en desbaste será:

Donde

S

Dm es el diámetro medio Df ’= Di – 2 pd Di es el diámetro del redondo de material inicial

Diámetro medio en acabado

Debido a que partimos de la pieza final que deseamos obtener y no el redondo inicial como en el caso del desbaste el cálculo del diámetro medio en acabado será:

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Donde

„

Dm es el diámetro medio Df es el diámetro de la pieza final Di’ = Df + 2pa

Velocidad de corte en desbaste o acabado

Para hallar la velocidad de corte teórica consultaremos las tablas en función del material de la pieza, tipo de material de la herramienta y en la columna correspondiente al desbaste o al acabado . Se comprobará que tanto el avance como la profundidad está en el intervalo marcado en las tablas. Los valores de velocidad de corte que aparecen en las tablas están calculados para: Esta tabla válida para HERRAMIENTAS de:

S

Metal duro (plaquitas) cuando:

Se trabaja en seco La duración del filo es To = 15 min

S

Acero rápido (HSS) cuando:

Se trabaja con taladrina (σ aceite) La duración del fijo es To = 60 min. DESBASTE MATERIAL

HERRAMIENTA

ACERO INOXIDABLE ACERO MOLDEADO FUNDICIÓN GRIS ALUMINIO DURALUMINIO LATÓN BRONCE σR ≤ 50 2 daN/mm ACERO AL CARBON O

σR 50 - 70 σR 70-85 σR ≅ 100

M.D. M.D. HSS M.D. HSS M.D. M.D. HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D. HSS M.D.

VC [m/min] 60 50 15 75 80 1250 300 30 450 25 250 22 150 20 120 15 80 12 30

ad [mm/rev] ≤1 ≤1 ≤2 ≤2 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 0,5 – 1 1 – 2,5 0,5 – 1 1 – 2,5 0,5 – 1 1 – 2 0,5 – 1 0,5 – 1

ACABADO pd [mm] ≤8 ≤ 10 ≤ 10 ≤ 10 ≤8 ≤8 ≤8 ≤ 10 ≤8 ≤ 10 ≤8 ≤ 10 ≤ 15 ≤ 10 ≤ 15 ≤ 10 ≤ 15 ≤8 ≤5

VC [m/min] 100 80 20 120 100 1750 400 45 550 35 350 30 250 24 200 20 140 16 50

aa [mm/rev] ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,25 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 ≤ 0,2 0,1 – 0,2 0,1– 0,25 0,1 – 0,2 0,1– 0,25 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2 0,1 – 0,2

pa [mm] ≤2 ≤2 ≤2 ≤2 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤1 ≤2 ≤2 ≤2 ≤2 ≤ 1,5 ≤ 1,5 ≤1 ≤1

Nota: La calidad del HSS es la normal (F.552) y las calidades del M.D. utilizado serían las P.10/P.20; K.10/K.20 o M.10/M.20 según corresponda a acabado o desbaste, del acero, la fundición o el acero inoxidable respectivamente. Tabla 5. Tabla orientativa de los valores de las condiciones de corte. torneado.

A partir de estos valores calcularemos la velocidad de corte tal como está dada en la máquina, es decir en rpm mediante la fórmula:

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Donde La velocidad de giro del cabezal del torno es nc (rpm) La velocidad de corte es Vc (m/min) El diámetro medio es Dm (mm)

S

Velocidades de corte reales

Debido a que las máquinas de torneado convencionales no tienen una gama de velocidades continuas sino que suelen seguir una serie de revoluciones discontinua (serie de Renard), debemos escoger las revoluciones que nos marca la máquina más próximas a las que nos da por las tablas. Imaginemos que tenemos una máquina que nos da una gama discontinua de revoluciones en el cabezal. Dentro de toda la gama distinguiremos una parte: ...1130, 1420, 1790, 2250, 2800 ... (rpm). El valor obtenido en tablas es por ejemplo 1550 rpm, un valor que está comprendido entre 1420 y 1790 rpm. La máquina no nos dará en el cabezal 1550 rpm por lo que escogeremos entre 1420 o 1790 rpm. Si escogiésemos el valor más bajo, 1420 rpm, la herramienta al trabajar más despacio se desgastaría menos, aumentando la vida por filo de la herramienta. Al tornear más despacio necesitaremos más tiempo para producir las piezas. Si escogiésemos el valor más alto, 1790 rpm, la herramienta al trabajar más rápido se gastará más, disminuyendo la vida de la arista de corte. Al tornear más rápido necesitaremos menos tiempo para producir las piezas. Se escoge el valor menor si se precisa “Régimen de mínimo coste” ya que necesitaremos menos herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos menos costes de herramientas aunque aumenten los costes de máquina. Se utiliza cuando el coste de las herramientas es mayor que el coste de máquina/hora en el tiempo de producción. En cambio se escoge el valor mayor si se quiere un “Régimen de máxima producción”. En este caso el tiempo de producción disminuirá y por tanto los costes de máquina. Por otro lado, necesitaremos más herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos mayores costes de herramientas. Se utiliza este régimen cuando el coste de las herramientas es menor que el coste máquina/hora en el tiempo de producción.

Figura 11. Costes de torneado en el caso de que curvas de máquina y herramienta sean iguales.

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En máquinas de control numérico CN la gama de velocidades de corte al igual de las de avance es continua por lo que la velocidad de corte real será la misma que la obtenida en tablas.

Centro de torneado por CN (Eagle 30). Cortesía de Yang

„

S

Velocidad de avance Velocidad de avance en desbaste

La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Por lo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempo determinado. Su expresión será: Va = ad . nc (mm/min) Siendo las unidades de ad (mm/v) y nc (rpm)

S

Velocidad de avance en acabado

La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la herramienta avanza a lo largo de la pieza. Por lo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempo determinado. Su expresión será: Va = aa . nc (mm/min) Siendo las unidades de aa (mm/v) y nc (rpm)

8. TIEMPO TOTAL DEL PROCESO Al evaluar y determinar el tiempo de fabricación deben tenerse en cuenta los siguientes factores:

S S S S

Tiempo de preparación Tiempo de operaciones Tiempo de imprevistos Tiempo de mecanizado

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Valoraremos los tiempos de preparación, operaciones e imprevistos como un 20% del tiempo de máquina (aunque en un caso real debemos estudiarlo). El tiempo total será el tiempo de mecanizado más los tiempos improductivos.

Si por ejemplo el tiempo improductivo fuese de un 20% del tiempo de mecanizado (El enunciado del problema nos dirá el % el día del examen)

„

Tiempo de mecanizado

Comprende la Velocidad recorrida por la herramienta a lo largo de la pieza l(mm), más la entrada de la herramienta x(mm). Tm = ( l + x ) / Va Siendo la Velocidad de avance Va (mm/v) de la máquina.

9. NÚMERO DE FILOS POR HERRAMIENTA „

Herramientas de acero rápido

En el caso de herramientas de acero rápido el número de afilados o usos nos lo proporciona el fabricante. En el caso de nuestra asignatura vendría dada en el enunciado. „

Plaquitas de metal duro

Las plaquitas de metal duro no son reafilables por lo que el número de usos será función del número de puntas de una cara. Por ejemplo, en el caso de una plaquita cuadrada, el número de usos será de cuatro. En una plaquita triangular tres ... etc.

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„

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Tiempo de vida de una herramienta

El tiempo de vida de una herramienta será igual a el tiempo de vida de un filo por el número de filos.

10. COSTOS DEL PROCESO Los costos del proceso son la suma de los costos de máquina, los costos de herramienta y los de afilado (en el caso de una herramienta de acero rápido). Cpr = Cmáq + Cherr + Cafil Cpr = Costo del proceso (pts) Cmáq = Costo de máquina (pts) Cherr = Costo de herramientas (pts) Cafil = Costo del afilado (pts)

„

Costos de máquina

Son los costos que se derivan del precio / hora que cuesta mantener una máquina en funcionamiento. Esto comporta el coste de amortización y mantenimiento de la máquina, operario ... Hay un valor que se determina por el taller , dependiendo de los parámetros descritos anteriormente y otros, que es el precio máquina. El costo máquina será función del tiempo del proceso y del precio máquina:

Donde:

„

Cmáq = Coste máquina del proceso (pts) Tpr = Tiempo total del proceso (h) Prmáq = Precio máquina (pts/h)

Costos de herramientas

Son los costos debidos a todas las herramientas que se necesitan para realizar el torneado de todas las piezas de la producción. En primer lugar debemos calcular el tiempo durante el cual el filo de la broca se está desgastando. Es evidente que el filo no se desgastará mientras no se esté torneando, así pues, si la herramienta se está posicionando no se desgastará. Se considera que la herramienta sólo se desgasta sólo en el recorrido l, sin tener en cuenta la entrada de la herramienta. La velocidad a la que se desplazará a lo largo de la pieza es la velocidad de avance por lo que el tiempo de desgaste del filo será:

Donde:

Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) . l = El recorrido de la herramienta torneando al hacer el cilindrado(mm). Va = Velocidad de avance de la herramienta (mm/min). np = Número de piezas (pieza) .

Una vez calculado el tiempo de desgaste total lo dividimos por el tiempo de vida de un filo para calcular cuanto filos desgastamos para producir todas las piezas del proceso. El número de filos Nfilos será:

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N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) . Tvida filo = Tiempo de vida por filo durante todo el proceso(min) .

A continuación calcularemos el número de herramientas necesarias en el proceso. Hemos calculado anteriormente el número de filos utilizables por herramienta, por lo que conociendo el número de filos necesarios no será difícil calcular el número de herramientas. Si el resultado nos da en decimales escogeremos el número entero superior, ya que no pediremos a nuestro proveedor por ejemplo 3,5 plaquitas o herramientas sino como mínimo necesitaremos 4 plaquitas o herramientas.

N brocas = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso [número entero]. N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . N af = Número de filos por herramienta reafilable o plaquita (filos/herramienta).

Finalmente para calcular el coste de las herramientas multiplicaremos el número de herramientas a comprar por su precio. Cherr = N herr . Pr herr Cherr = Coste de herramientas (pts) N herr = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(herramientas). Prherr = Precio por herramienta (pts/herramienta)

„

Costos de afilado

Sólo debe calcularse para herramientas reafilables. Para calcular los costos de afilado partimos de la hipótesis de que es un trabajo que se realiza simultáneamente con el de torneado en otra máquina. Normalmente el precio máquina de la máquina de afilar suele ser menor a la de torneado. En primer lugar calculamos el tiempo que requiere el afilado de todas las herramientas. Como partimos de la hipótesis que la herramienta inicialmente nos la venden afilada el número de afilados por herramienta será el número de filos que se pueden obtener de la herramienta menos el primero. Nafil = Naf -1 Nafil = Número de afilados por herramienta (afilados/herramienta). Naf = Número de filos por herramienta (filos/herramienta).

Por lo tanto el tiempo que se necesitará para afilar las herramientas suponiendo que en cada herramienta se tarda en afilar cada filo un tiempo de afilado Taf filo . El tiempo que se tardará por herramienta será: Taf herr = T af filo . Nafil

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T af herr = tiempo de afilado por herramienta (min/herramienta) . T af filo = tiempo de afilado por filo (min/filo). Nafil = Número de afilados por herramienta (afilados/herramienta).

Calculamos de nuevo el número de herramientas pero ahora con decimales ya que la última herramienta no la afilamos totalmente.

N’herr = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso(herramientas) [número decimal]. N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . N af = Número de filos por herramienta (filos/herramienta) .

El tiempo total de afilado para todo el proceso será igual al tiempo de afilado por herramienta por el número de herramientas (con decimales) utilizadas. Taf = N’herr . Taf herr T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(min) . N’herr = Número de herramientas gastadas durante todo el proceso(herramientas) [número decimal]. T af herr = tiempo de afilado por herramienta (min/herramienta).

El costo por afilado será el tiempo de afilado durante todo el proceso por el precio máquina de la afiladora. Cafil = Taf . Pr’máq C afil = Coste de afilado de todo el proceso (pts) T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(h) Pr’máq = Precio máquina de la afiladora (pts/h)

11. FUERZA DE CORTE Es la única que tiene importancia en el cálculo de la potencia de entre las fuerzas que ejerce la herra-mienta sobre la pieza: fuerza de avance (Fa), fuerza de alimentación o penetración (Fp) y fuerza de corte (Fc).

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Esta fuerza de corte depende de los ángulos y tipo de la herramienta, resistencia a la cortadura del material de la pieza, sección de viruta arrancada, avance, velocidad de corte, lubrorefrigeración … La fórmula general de la fuerza de corte es: Fc = Kc . S Siendo

S la sección de la viruta arrancada. Kc la fuerza específica de corte.

La sección de la viruta es: S=p.a Donde p(mm) es la profundidad de corte y a (mm) es el avance.

La fuerza específica Kc es: Kc = c .σR Donde c está comprendida entre : 3 < c < 5. En el caso de Kc = 3.σR las condiciones de corte son buenas, lo cual se da con ángulos positivos, buen afilado, sección grande arrancada, avance elevado, alta velocidad de corte…

En función del avance c adopta los valores: a: c:

….. 0,1 ….. 0,5 ….. 5 ……. 4 ..….. 3

Otros factores que influyen son:

S

La resistencia del material: Resistencia del material (Kg/mm2)

50

60

70

75

80

90

100

Fuerza específica de corte Kc

228

278

317

342

368

406

484

Relación c

4,5

4,6

4,5

4,5

4,6

4,5

4,8

1

2

4

6

8

10

12

4,8

4,5

4

3,75

3,5

3,5

3,3

En función de la sección de viruta:

Sección de viruta S = mm2 Relación c

En nuestra asignatura utilizaremos para simplificar c = 4 y por tanto la fuerza específica de corte: Kc = 4 . σR

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12. POTENCIA DE CORTE Para el cálculo de la potencia útil necesaria en el cabezal del torno sólo influye la fuerza y velocidad de corte. La fórmula utilizada es: Wu = Fc . Vc La potencia necesaria en el motor, debido a que hay pérdidas de potencia a causa de la transmisión desde el motor al cabezal las cuales vienen reflejadas en el rendimiento del mecanizado de la máquina es: W = Wu / ηmec „

Ejemplo de acabado

En un taller se quiere realizar un cilindrado exterior de acabado de 1000 piezas a partir de redondos pretorneados en desbaste de acero al carbono F-115 normalizado para dejarlos con diámetro 100 mm. Los redondos han sido ya cortados a la longitud de 500 mm (igual a la longitud de una pieza). Dicho acabado requiere una sola pasada y se quiere conseguir una rugosidad media máxima Ra < 1,6 µm. Datos: Material: Acero al carbono F-115 N σR = 750 N/mm Herramienta de MD: Plaquita triangular Precio: 3500 pts. Geometría: χ = 70º, α = 5º , λ = 2º, γ = 8º, los demás ángulos deben calcularse. El radio de acuerdo es de r = 0,4 mm. Torno de manual con gama discontinua de velocidades desde 45 a 3550 rpm. 2

45 450

57 570

72 720

90 900

113 1130

142 1420

179 1790

225 2250

280 2800

Gama de avances discontinua desde 0,05 a 5 con escalonado de 0,05 mm/v. Precio máquina = 5000 pts/h Tiempos improductivos del 20 % y régimen de máxima producción.

Se pide: Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE. Avance y profundidad de corte (real). a (mm/v) = ............. p(mm) = ............. Velocidad de corte (teórica) n (rpm) = ................. Vc (m/min) = ................ Velocidad de corte y velocidad de avance (real). nc (rpm) = ...... Vc (m/min) = ..... Va (mm/min)= ...... Tiempo de mecanizado, tiempo total del proceso. Tmec (min) = ......................... Tt proc (min) = ......................... Coste total del proceso. Coste máq (pts) = ..................... Coste herr (pts) = ........................... Coste total (pts) = ........................ Potencia necesaria en el torno (ρ= 90%). Potencia (kW) = ..............................

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355 3550

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Resolución

S

Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE

Dibujo explicativo en 3D explicando los ángulos de corte.

Croquis de la punta activa de la herramienta según UNE-ISO.

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Herramienta: Radio de acuerdo r = 0,4 mm 3 filos: Tvida por filo = 15 min. Tvida herramienta = 15 · 3 = 45 min.

Radio de acuerdo

r = 0,4 mm

S

Avance y profundidad de corte.

Se sabe que Ra < 1,6 µm. Se debe cumplir que aproximadamente:

a a = 32. Ra. r.10−3 (mm) Como r = 0,4 mm y como máximo Ra = 1,6 entonces aa = 0,14 mm Se debe cumplir y se cumple que: a a ≤ 2 r cos

ε 2

Como gama de avances no es continua y avanza de 0,05 mm/v en 0,05 mm/v a = 0,14 estará en el intervalo 0,1 y 0,15 mm/v. Siempre escogeremos el menor ya que sino no se cumple con la rugosidad estipulada. aa = 0,1 mm/v A partir de aa se obtiene: pa = 10 · aa = 10 · 0,1 = 1 mm Debe cumplirse y se cumple que: pa > r Además tanto el avance como la profundidad de corte están dentro de los intervalos marcados por la Tabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado” para acabado.

S

Velocidad de corte

Vc = 140 m/min

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Valor encontrado en la “Tabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado”, para 2 Acero σR = 75 Kg/mm , M.D (metal duro), acabado. Como la gama de velocidades del torno es discontinua no podemos darle al torno cualquier velocidad. Para hallar la velocidad de corte en r.p.m.

Calculamos el diámetro medio: Dm = (101 + 100) / 2 = 100,5 mm nc = Vc 1000 / π Dm = 140·1000 / π · 100,5 = 443,4 r.p.m. Velocidades de corte reales del torno: 355 - 450 rpm Escogemos nc = 450 rpm (Régimen de máxima producción). Vc = nc. π Dm /1000 = 450 . π . 100,5 / 1000 = 142,06 m/min Vc = 142,06 m/min

S

Velocidad de avance Va = aa · nc Va = a · n = 0,1 · 450 = 45 mm/min

S

Tiempo total del proceso

Tproceso = Tmecanizado + T improductivo Tmec/pieza = Long pieza / Velocidad de avance = 500/45 = 11,11 min/pieza Timprod/pieza =0,20 · Tmec (Son un 20% del Tmec por enunciado) T proceso/pieza = Tmec/pieza + 0,20 Tmec/pieza = 1,2 · 11,11 = 13,33 min/pieza

Tproceso total (1000 piezas) = 1000 · 13,33= 13333 min = 222,2 h

S

Coste del proceso

No hay costos de afilado ya que se trata de una herramienta no reafilable (plaquitas) Cpr. = Cmáq + Cherr

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Nº de herramientas = 11,11 · 1000 / 45 = 247 herr. para 1000 p Cherr. = 247 · 3500 = 864500 pts para 1000p C máq = 222,2 · 5000 = 1111000 pts para 1000p Cpr = 1975500 pts para 1000p

S

Potencia en la máquina

W = Fc · Vc Fc = 4· σr S W = Fc · Vc = 4 · 750 · 0,1 · 1 ·(142,06 / 60) = 710,3 W W = 0,71 /0,9 = 0,8 kW „

Ejemplo de desbaste

En un taller se quiere realizar un cilindrado exterior de desbaste (r = 1/5) de 10000 piezas a partir de redondos de aluminio de diámetro 100 mm ya cortados a la longitud de 500 mm (igual a la longitud de una pieza). Dicho desbaste requiere una sola pasada y que la rugosidad máxima Ra < 0,1 mm. Datos: Material: Aluminio σR = 230 N/mm Herramienta de MD: Plaquita intercambiable de metal duro cuadrada. Precio: 2500 pts. Geometría: χ = 60º, α = 11º, γ = 9º y λ = 2º, los demás ángulos deben deducirse. Se supone que la punta de la plaquita es de punta quebrada. Torno de control numérico con gama continua de velocidades desde 45 a 2800 r.p.m. y con gama de avances discontinuos desde 0,05 a 5 con escalonado de 0,05 mm/v. Precio máquina = 7000 pts/h Tiempos improductivos del 20 % 2

Se pide:

S S S S S S S S S

Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE. Avance y profundidad de corte. Velocidad de corte. Velocidad de avance Tiempo total del proceso. Precio total del proceso. Potencia neta necesaria en el torno. ¿Sería recomendable escoger esta geometría de la herramienta para el desbaste de una pieza de fundición?. ¿Cómo podrían mejorarse los costes y la producción? ƒ En cuanto a aumentar la velocidad del proceso sin disminuir la vida de la herramienta. ƒ En cuanto a aumentar la producción sin aumentar la velocidad de mecanizado.

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S

Croquis de la punta activa de la herramienta según ISO-UNE.

Herramienta al ser cuadrada tiene un ángulo ε = 90 º y 4 filos de corte: 4 filos: Tvida por filo = 15 min. Tvida herramienta = 15 · 4 = 60 min.

S

Avance y profundidad de corte.

Se sabe que Ra < 0,1mm. Se debe cumplir que aproximadamente: R = 4 · Ra = 4 · 0,1 = 0,4 mm.

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Por otro lado a partir del dibujo puede hallarse el avance ad.

ad < (R/tagX)+(R/tagX’)=0,923mm/v Como la gama de avances es discontinua y escalada a 0,05 mm/v , este avance está comprendido entre 0,9 y 0,95. Como Ra < 0,1 mm esto implica que ad < 0,923 mm/v , ya que si no la rugosidad sería mayor. ad = 0,9 mm/v A partir de ad se obtiene la profundidad de corte, sabiendo que para desbaste r =1/5: pd = 5 · ad = 5 · 0,9 = 4,5 mm

S

Velocidad de corte

Vc = 1250 m/min Valor encontrado en la “Tabla orientativa de los valores de condiciones de corte, torneado”, para Aluminio, M.D (metal duro) y desbaste. Como la gama de velocidades del torno es continua podemos escoger cualquier velocidad de corte al torno.

S

Velocidad de avance

Va = ad · nc Para hallar la velocidad de corte en r.p.m.

Calculamos el diámetro medio: Dm = (200 + 191) / 2 = 195,5 mm Nc = Vc ·1000 / π · Dm = 1250·1000 / π · 195,5 = 2035 r.p.m. Va = ad · nc = 0,9 · 2035 = 1831,5 mm/min

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S

Tiempo total del proceso Tproceso = Tmecanizado + T improductivo

Tmec/pieza = Long pieza / Velocidad de avance = 500/1831,5 = 0,2730 min/pieza Timprod/pieza =0,20 · Tmec (Es un 20% del Tmec por enunciado) T proceso/pieza = Tmec/pieza + 0,20 Tmec/pieza = 1,2 · 0,2730 =0,3276 min/pieza

Tproceso total = 10000 · 0,3276= 3276 min. Para las 10000 piezas

S

Coste del proceso

Cpr. = Cmáq + Cherr Nº de herramientas = Tmec/pieza · Nº de piezas / T vida herramienta Nº de herramientas = 0,2730 · 10000 / 60 = 45 herr. Para las 10000 piezas Cherr. = Nº de herramientas · Precio de herramienta Cherr. = 45 · 2500 = 112500 pts Para las 10000 piezas C máq = Tproceso total (horas) · Precio máquina (pts/hora) C máq = (3276/60)·7000 = 382200 pts. Para las 10000 piezas Cpr = 494700 pts . Para las 10000 piezas

S

Potencia en la máquina W = Fc · Vc

Fc = 4· σr S

donde S = ad · pd y la Vc es sustituida en m/s

W = Fc · Vc = [4 · 230 · 0,9 · 4,5] ·(1250 / 60) = 77625 W W = 78 kW

S

No, ya que una pieza de fundición posee menor maquinabilidad debido a cascarillas, poros, arenilla, mayor dureza...

Por tanto necesita: ƒ ƒ ƒ

Angulo de incidencia menor Angulo de desprendimiento menor Angulo de filo mayor

Para evitar desgaste o rotura de herramienta

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S

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Para aumentar la velocidad sin disminuir la vida de la herramienta es bueno el uso de taladrina o aceite.

Para aumentar la producción sin aumentar la velocidad de mecanizado es bueno reducir tiempos improductivos, cambios automáticos de herramienta y disminuir tiempos de acercamiento y posicionamiento.

13. TALADRADO Es un método para la producción de agujeros cilíndricos en piezas por arranque de viruta. A estos agujeros se les llama pasantes si traspasan totalmente la pieza, y no pasantes si no lo hacen. Existen diferentes procedimientos para agujerear las piezas por arranque, distinguiéndose claramente entre taladrado, trepanado y mandrilado. Se entiende por taladrado propiamente dicho como un método en que agujerea la pieza convirtiendo todo el material del agujero en viruta. Se utiliza para agujeros de pequeño diámetro, normalmente, y para agujeros cortos hasta 20 mm. La herramienta cortante que se utiliza se la denomina broca. Se entiende por trepanado como el método de agujereado de piezas en que sólo se recorta el perfil del agujero dejando su interior como residuo. Se utiliza para agujeros de gran diámetro en que un taladrado requeriría de enorme potencia de la máquina. Se entiende como mandrilado como el método de agujereado en que se repasa con una herramienta de torno el interior de un agujero ya taladrado o trepanado para conseguir mejorar su calidad superficial.

En este capítulo describiremos solamente el método del taladrado propiamente dicho. Al estudiar este procedimiento de arranque de viruta podría parecer a priori que existiría una cierta similitud con el torneado o fresado y que por tanto podríamos utilizar las mismas tablas y las mismas figuras, pero no es cierto ya que existe una gran diferencia entre estas operaciones y el taladrado. En la operación de taladrado la viruta procedente del corte queda en el interior del agujero y debe evacuarse. Para ello debe romperse la viruta con mayor eficacia que en otras operaciones. Esto y su evacuación se consigue reduciendo la velocidad de corte y el avance como describiremos más adelante. La evacuación de la viruta resulta más difícil en agujeros de gran profundidad que en los de poca profundidad. Así se puede diferenciar claramente entre taladrado de agujeros cortos y de agujeros largos. Para diferenciarlos calculamos la relación entre la profundidad del agujero y su diámetro. r = Profundidad / Diámetro

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Si r es mayor o igual a 3 se considera agujero largo y sino agujero corto. En los agujeros cortos el régimen de arranque será elevado, por lo que la calidad será mayor. En los agujeros largos intentaremos mejorar la evacuación de la viruta disminuyendo la velocidad de arranque, por lo que la calidad final del agujero será menor. „

Herramientas de taladrado (brocas)

Estas herramientas cortantes suelen ser: Brocas helicoidales de aceros rápidos (HSS) reafilables o brocas con plaquitas intercambiables de metal duro. Normalmente las brocas de acero rápido se recubren con óxidos como óxidos de aluminio para resistir mejor el desgaste y a la temperatura. También para operaciones de mantenimiento o pocas piezas pueden emplearse brocas helicoidales reafilables de acero al carbono pero están en desuso. Tanto las brocas de metal duro como las de acero rápido se han mejorado adoptando nuevas geometrías de corte, rompevirutas y canales internos que conducen aceite a presión hasta la punta de la herramienta. De esta forma se garantiza menor desgaste del filo y mayor facilidad de evacuación de la viruta. Actualmente para agujeros de poco diámetro entre 2,5 mm y 12,5 mm se utilizan solamente brocas helicoidales de acero rápido ya que las plaquitas necesitan un diámetro mínimo para atornillarse al mango no menor a 12,5 mm. Ha habido intentos con plaquitas circulares pero se siguen utilizando más las anteriores. La elección de la herramienta a partir de 12,5 mm depende de parámetros como la profundidad y tolerancia del agujero, el material de la pieza, el tamaño de la serie de piezas a producir y la máquina utilizada. Para las máquinas modernas con un alto coste hora/ máquina se precisa utilizar plaquitas de metal duro, mientras que para operaciones en que el coste de mecanizado sea mayor es mejor utilizar brocas reafilables de acero rápido. Últimamente existen unas brocas reafilables con modernas geometrías tanto de HSS como metal duro que son utilizadas para máquinas modernas con costes de mecanizado medios.

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Brocas de HSS (Cortesía de Toshiva Tungaloy)

Brocas de plaquitas de MD (Cortesía de Kenci)

Geometría de la herramienta de corte

S

Ángulos de las brocas ƒ

Ángulos de las brocas helicoidales Los ángulos más importantes en una broca helicoidal son los siguientes: - Ángulo de punta (ε) : Es el ángulo que se forma entre la punta de la broca y la superficie perpendicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar y marca la altura de salida. - Ángulo de la hélice (δ): Es el ángulo formado entre el canal de salida de la viruta y el eje de la broca. Influye en la salida de la viruta y depende del material a taladrar.

Los valores del ángulo de punta podemos encontrarlos en la tabla 1. ƒ

Ángulos de las brocas con plaquitas intercambiables Los ángulos más importantes en una herramienta de plaquitas son los siguientes: - Ángulo de punta (•••: Es el ángulo que se forma entre la punta de la broca y la superficie perpendicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar y marca la altura de salida. - Ángulo de incidencia (α) : Es el ángulo formado entre entre la arista de corte y la superficie perpendicular al eje de la herramienta. Varía en función del material a taladrar.

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- Ángulo de desprendimiento (γ) : Es el ángulo que forma la arista de desprendimiento de viruta de la plaquita con el eje de la broca.

S

Recorrido de la herramienta y altura de salida

El recorrido de la herramienta en el agujero será la longitud de listón de broca (L) introducida en el agujero más la altura de salida (h). En el caso de un agujero pasante, la longitud del listón será igual a la profundidad del agujero (p).

La altura de salida puede deducirse a partir del diámetro del agujero, igual al de la broca, y del ángulo de punta. Se obtiene a partir de un triángulo rectángulo de catetos D/2 y h, y con uno de sus ángulos igual a ••• . El recorrido durante el mecanizado es R = L + h. Se considera que el filo de la herramienta a efectos de desgaste sólo trabaja en un recorrido R’= L. „

Movimientos característicos en el taladrado

Inicialmente podemos distinguir dos tipos de taladrado según si es la pieza la que se mueve (broca no rotativa) o si es la herramienta (broca rotativa). El método más usual es el de broca rotativa pero debido a la aparición de los tornos de control numérico es cada vez más común el taladrado con broca fija. Los movimientos propios del mecanizado son el rotativo denominado velocidad de corte Vc y un avance lineal para profundizar el agujero. La distancia que profundizamos en la pieza por vuelta es

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lo que denominamos avance a. A la velocidad a la que la broca profundiza en la pieza es lo que llamamos velocidad de avance Va .

14. CÁLCULO DE MOVIMIENTOS EN TALADRADO En este curso sólo calcularemos los movimientos, fuerzas ... para brocas helicoidales ya sean de acero al carbono o acero rápido reafilables. En caso de brocas helicoidales de metal duro o herramientas con plaquitas de metal duro el procedimiento es exactamente el mismo pero partiendo de las velocidades de corte y de los avances teóricos recomendados por el fabricante (normalmente para agujeros cortos). Se distinguirán los movimientos para agujeros cortos y agujeros largos, ya que a los de estos segundos debemos aplicarles una corrección para ralentizar los para una buena evacuación de la viruta. „

Velocidades de corte teóricas para agujeros cortos

En la siguiente tabla se muestran las velocidades de corte teóricas para el caso de agujeros cortos. Como vemos dependen del tipo de material a taladrar y el tipo de material de la broca. En la tabla también se muestra el ángulo de punta característico de la broca. Estas velocidades de corte son para taladrado en seco, en caso de utilizar un lubricante dicha velocidad podría aumentar hasta un 25 %.

La lubrificación de una broca puede incrementar su tiempo de vida. (Cortesía de Sandvik Coromant)

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Tabla 6. Velocidades de corte de agujeros cortos para brocas de aceros al carbono y acero rápido.

Los valores de la tabla están calculados para un tiempo de vida de filo de la herramienta de 60 minutos. Estas velocidades de corte están dadas en m/min, pero las máquinas trabajan en rpm. Para convertir Vc (m/min) en nc (rpm) se aplica la siguiente fórmula:

Donde las unidades son: Vc (m/min) y D (mm)

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„

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Avances de las brocas para agujeros cortos

Debido a que las máquinas de taladrado tienen una gama de avances continua, el avance que obtengamos en tablas será el que utilizaremos en el taladro. Esto es cierto también para el caso de avances de brocas para agujeros largos. Determinaremos el avance de la broca en función de su diámetro, el material de la pieza y el material de la broca. Entrando por el diámetro de la broca en la tabla 2 trazaremos una recta hasta la curva perteneciente al material de la pieza. Una vez en ese punto trazaremos una horizontal. A la izquierda de la tabla están los avances pertenecientes a brocas de acero al carbono y a la derecha las de acero rápido. Estos avances son teóricos y para agujeros cortos. Están calculados para velocidades de corte entre 8 y 12 m/min en el caso de brocas de acero al carbono y entre 12 y 25 m/min para aceros rápidos. Para velocidades de corte mayores y dentro de los márgenes de la tabla 1 disminuir un 12% de cara a trabajar en la asignatura. El uso de lubricante mejorará la velocidad de corte pero no el avance.

Tabla 2. Avances por revolución en mm por revolución para aceros al carbono o rápidos

Los valores de la tabla están calculados para un tiempo de vida de filo de la herramienta de 60 minutos. CORRECCIONES PARA AGUJEROS LARGOS En caso de agujeros largos r = 3 o r >3, los valores calculados anteriormente para velocidad de corte Vc o para avance a deben corregirse con la siguiente tabla 3. Estos valores deberán disminuirse en función del coeficiente r que es la relación entre profundidad y diámetro del agujero. Esta disminución de velocidades, recordémoslo, es necesaria en agujeros largos para evacuar la viruta.

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Relación r (profundidad / φ) CORRECCIONES SEGÚN LA PROFUNDIDA DEL AGUJERO

3 4 5 6 7 8

Reducción de la velocidad de corte en % 10 20 30 35 37 40

Reducción del avance en % 10 10 20 20 20 20

Tabla 7. Reducciones de velocidad de corte y avance para agujeros largos en función de la relación r.

Todas la velocidades son para un tiempo de vida del filo de 60 minutos. „

Velocidades de corte reales

Debido a que las máquinas de taladrado convencionales no tienen una gama de velocidades continuas sino que suelen seguir una serie de revoluciones discontinua (serie de Renard), debemos escoger las revoluciones que nos marca la máquina más próximas a las que nos da por las tablas. Imaginemos que tenemos una máquina que nos da una gama discontinua de revoluciones en el cabezal. Dentro de toda la gama distinguiremos una parte: ... 450, 560, 710, 900 ... (rpm). El valor obtenido en tablas es por ejemplo 625 rpm, un valor que está comprendido entre 560 y 710 rpm. La máquina no nos dará en el cabezal 625 rpm por lo que escogeremos entre 560 o 710 rpm. Si escogiésemos el valor más bajo, 560 rpm, la herramienta al trabajar más despacio se desgastaría menos, aumentando la vida por filo de la broca. Al taladrar más despacio necesitaremos más tiempo para producir las piezas. Si escogiésemos el valor más alto, 710 rpm, la herramienta al trabajar más rápido se gastará más, disminuyendo la vida por filo de la broca. Al taladrar más rápido necesitaremos menos tiempo para producir las piezas. Se escoge el valor menor si se precisa “Régimen de mínimo coste” ya que necesitaremos menos herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos menos costes de herramientas aunque aumenten los costes de máquina. Se utiliza cuando el coste de las herramientas es mayor que el coste de máquina/hora en el tiempo de producción. En cambio se escoge el valor mayor si se quiere un “Régimen de máxima producción”. En este caso el tiempo de producción disminuirá y por tanto los costes de máquina. Por otro lado, necesitaremos más herramientas para producir la misma cantidad de piezas y por lo tanto tendremos mayores costes de herramientas. Se utiliza este régimen cuando el coste de las herramientas es menor que el coste máquina/hora en el tiempo de producción. Recordemos la gráfica Costes-velocidad de corte mostrada en el apartado de torneado. También es válida para el taladrado.

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Figura 12. Costes de taladrado en el caso de que curvas de máquina y herramienta sean iguales.

En máquinas de control numérico CN la gama de velocidades de corte al igual de las de avance es continua por lo que la velocidad de corte real será la misma que la obtenida en tablas. „

Velocidad de avance

La velocidad de avance Va es la velocidad a la que la broca penetra en la pieza. Por lo que será igual al avance por revolución por el número de revoluciones que da la máquina en un tiempo determinado. Su expresión será: Va = a . nc ( mm/min ) Siendo las unidades de a (mm/v) y nc (rpm)

15. TIEMPOS DEL PROCESO El tiempo del proceso de taladrado tpr será igual al tiempo en que la herramienta mecaniza llamado tiempo de mecanizado tm más los tiempos improductivos t impr que comprenden los de posicionamientos de la broca, de cambio de broca, cambios de pieza, tiempos de imprevistos ... en que aunque no estamos propiamente mecanizando, debemos pagar ese tiempo de la máquina y del operario. Se calcula que el tiempo improductivo varía según el tipo de máquina utilizada variando entre un 20 y un 40 % del tiempo de mecanizado. En las brocas reafilables existe un tiempo de afilado taf que debido a que se suele desarrollar en paralelo por otro operario en otra máquina no se le suma a el tiempo del proceso, aunque se valore en los costes totales. „

Tiempo de mecanizado

Es el tiempo tm que se tarda en taladrar todos los agujeros de una pieza nag por el número de piezas totales np. El tiempo que se tardaría en taladrar un solo agujero sería el espacio recorrido por la broca mientras taladra el agujero R = L+h, dividido por la velocidad a la que avanza la broca.

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En que son:

„

tm = Tiempo de mecanizado de todas las piezas(min). R = L+h El recorrido de la broca al hacer el agujero(mm). Va = Velocidad de avance de la broca (mm/min). nag = Número de agujeros por pieza (agujeros/pieza). np = Número de piezas (pieza).

Tiempo total del proceso

Es el tiempo total para realizar el taladro de todas las piezas.

Si por ejemplo el tiempo improductivo fuese de un 20% del tiempo de mecanizado (El enunciado del problema nos dirá el % el día del examen)

„

Afilado de la broca

Afilado de una broca (Cortesía de Sandvik Coromant)

Cuando se desgasta un filo de una broca reafilable se puede volver a afilar mediante una muela. La longitud de broca que se necesita arrancar para afilarla se denomina merma. La broca puede afilarse hasta agotar su longitud útil a partir de la cual esta no puede realizar el taladrado correctamente. El número de filos con que puede taladrarse en una broca será :

Naf = Número de filos por broca (filos/broca) Lu = Longitud útil (mm) m = Merma (mm)

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16. COSTOS DEL PROCESO Los costos del proceso son la suma de los costos de máquina, los costos de herramienta y los de afilado. Cpr = Cmáq + Cherr + Cafil Cpr = Costo del proceso (pts) Cmáq = Costo de máquina (pts) Cherr = Costo de herramientas (pts) Cafil = Costo del afilado (pts)

„

Costos de máquina

Son los costos que se derivan del precio / hora que cuesta mantener una máquina en funcionamiento. Esto comporta el coste de amortización y mantenimiento de la máquina, operario ... Hay un valor que se determina por el taller , dependiendo de los parámetros descritos anteriormente y otros, que es el precio máquina. El costo máquina será función del tiempo del proceso y del precio máquina:

Donde:

„

Cmáq = Coste máquina del proceso (pts) Tpr = Tiempo total del proceso (h) Prmáq = Precio máquina (pts/h)

Costos de herramientas

Son los costos debidos a todas las herramientas que se necesitan para realizar el taladrado de todas las piezas de la producción. En primer lugar debemos calcular el tiempo durante el cual el filo de la broca se está desgastando. Es evidente que el filo no se desgastará mientras no esté taladrando, así pues, si la broca se está posicionando no se desgastará. Se considera que la broca se desgasta sólo en el recorrido R’, sin tener en cuenta la altura de salida. La velocidad a la que se desplazará en el agujero es la velocidad de avance por lo que el tiempo de desgaste del filo será:

Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) . R’ = L El recorrido de la broca taladrando al hacer el agujero(mm). Va = Velocidad de avance de la broca (mm/min). nag = Número de agujeros por pieza (agujeros/pieza) . np = Número de piezas (pieza) .

Una vez calculado el tiempo de desgaste total lo dividimos por el tiempo de vida de un filo para calcular cuanto filos desgastamos para producir todas las piezas del proceso. El número de filos Nfilos será:

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N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . Tdesg filo = Tiempo de desgaste durante todo el proceso(min) . Tvida filo = Tiempo de vida por filo durante todo el proceso(min) .

A continuación calcularemos el número de brocas necesarias en el proceso. Hemos calculado anteriormente el número de afilados por broca, por lo que conociendo el número de filos (afilados) necesarios no será difícil calcular el número de brocas. Si el resultado nos da en decimales escogeremos el número entero superior ya que no pediremos a nuestro proveedor por ejemplo 3,5 brocas sino como mínimo necesitaremos 4 brocas.

N brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número entero]. N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . N af = Número de filos por broca (filos/broca) .

Finalmente para calcular el coste de las herramientas multiplicaremos el número de brocas a comprar por su precio. Cherr = N brocas . Pr herr Cherr = Coste de herramientas (pts) N brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) . Prherr = Precio por herramienta (pts/broca)

„

Costos de afilado

Para calcular los costos de afilado partimos de la hipótesis de que es un trabajo que se realiza simultáneamente con el de taladrado en otra máquina. Normalmente el precio máquina de la máquina de afilar suele ser menor a la de taladrado. En primer lugar calculamos el tiempo que requiere el afilado de todas las broca. Como partimos de la hipótesis que la broca inicialmente nos la venden afilada el número de afilados por broca será el número de filos de la broca menos el primero. Nafil = Naf -1 Nafil = Número de afilados por broca (afilados/broca). Naf = Número de filos por broca (filos/broca).

Por lo tanto el tiempo que se necesitará para afilar las brocas suponiendo que en cada broca se tarda en afilar cada filo un tiempo de afilado Taf filo . El tiempo que se tardará por broca será: Taf broca = T af filo . Nafil T af broca = tiempo de afilado por broca (min/broca) . T af filo = tiempo de afilado por filo (min/filo). Nafil = Número de afilados por broca (afilados/broca).

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Calculamos de nuevo el número de brocas pero ahora con decimales ya que la última broca no la afilamos totalmente.

N’brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número decimal]. N filos = Número de filos gastados durante todo el proceso(filos) . N af = Número de filos por broca (filos/broca) .

El tiempo total de afilado para todo el proceso será igual al tiempo de afilado por broca por el número de brocas (con decimales) utilizadas. Taf = N’brocas . Taf broca T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(min) . N’brocas = Número de brocas gastadas durante todo el proceso(brocas) [número decimal]. T af broca = tiempo de afilado por broca (min/broca).

El costo por afilado será el tiempo de afilado durante todo el proceso por el precio máquina de la afiladora.

Cafil = Taf . Pr’máq C afil = Coste de afilado de todo el proceso (pts) T af = tiempo de afilado durante todo el proceso(h) Pr’máq = Precio máquina de la afiladora (pts/h)

17. MÁQUINAS DE TALADRADO Existen diferentes máquinas para el taladrado. Suelen ser taladradoras propiamente dichas para trabajo manual o pueden utilizarse máquinas tránsfer, centros de mecanizado o de torneado para taladrar mediante CN. Las taladradoras se dividen según el número de brocas que actúen en cada etapa en taladradoras simples o múltiples. En las múltiples se realizan varios agujeros a la vez mientras que en las simples se agujerean los agujeros uno por uno. Entre las taladradoras propiamente dichas se distinguen dos tipos básicos: Taladradoras de columna y taladradoras radiales. La diferencia radica en que en la primera la broca baja sólo linealmente mientras que en la segunda puede trazarse agujeros con distribución circular. Entre las taladradoras de columna se distinguen: La sensibles, las de trabajo pesado y las semipunteadoras. La diferencia entre las dos primeras es que en las sensibles el operario “siente” el taladro y en las de trabajo pesado no. Ambas son de trabajo manual e imprecisas. En las semipunteadoras la lectura es digital por lo que se tiene mayor precisión. La tendencia para series medianas y grandes de piezas en que existan muchos agujeros o piezas que se fabriquen por CN es que su taladrado se realice en centros de mecanizado o torneado por CN.

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Taladradora de columna Taladradora radial

„

Taladrado múltiple (Cortesía de Sandvik Coromant)

Evolución actual del taladrado

Hasta hace poco tiempo el taladrado era una de las operaciones que causaba cuellos de botella en la fabricación. Recordemos que en procesos como fundición, forja, sinterizados ... no era posible o rentable realizar agujeros de poco diámetro y se anticipaba que debían mecanizarse. Manualmente, el taladrado es un proceso que requiere de varias etapas. En primer lugar debemos marcar el agujero, después posicionar la broca para posteriormente taladrar. A veces incluso en agujeros profundos taladramos de forma cíclica un mismo agujero para así evacuar mejor la viruta. Con los modernos sistemas de mecanizado no se requiere el marcaje previo de los agujeros, el posicionamiento es muy rápido y preciso y los cambios de broca y de pieza son automáticos. Además, debido a las nuevas geometrías, materiales de las herramientas, lubrificantes ..., la calidad superficial de los agujeros es mayor y se consiguen velocidades de avance mucho mayores. La programación de las diferentes posiciones que debe adoptar la broca, la elección de la broca de trabajo, el programa del taladrado a realizar según la pieza que fabricamos ..., se gestiona desde un CN o un programa CAM. Esto nos garantiza una gran flexibilidad y rapidez.

Torreta de centro torneado (Cortesía de Okuma)

18. TALADRADO DE AGUJEROS PROFUNDOS Debido a que en ciertas aplicaciones se precisan piezas con agujeros largos (con profundidad de 5 a 100 veces el diámetro del agujero) de gran precisión, alineación y gran acabado superficial se han creado una serie de sistemas de taladrado para agujeros profundos. Es muy importante en estos taladrados que la rotura de viruta sea apropiada y que se evacue la viruta sin estropear la superficie mecanizada. Para ello los sistemas de taladrado para agujeros profundos se basan en lograr la evacuación de la viruta mediante el suministro de un fluido lubricante y refrigerante a presión. Existen los siguientes métodos:

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S

Sistema “broca cañón”: En este método el fluido es transportado a través del interior de la broca y la evacuación de la viruta se realiza por el exterior, a lo largo de una ranura en forma de V de la herramienta. Se utiliza para agujeros profundos de poco diámetro en que se requiera precisión y exactitud. Se pueden adaptar máquinas convencionales con velocidades de corte suficientemente elevadas para trabajar con brocas de cañón.

Broca de cañón

S

Sistema STS: El fluido se inyecta a mucha presión por la parte exterior de la broca y las virutas son transportadas por un único tubo interior de la broca. Se utiliza en agujeros profundos de muy gran diámetro (100 a 200 veces el diámetro) en sustitución del método de trepanado o tenemos problema con la viruta. El trepanado tiene el problema de que en caso de tener que retirar la broca, como queda un cilindro sólido en el interior del agujero, es difícil volver a introducir la broca de nuevo. Requiere máquinas adaptadas especiales.

STS (Cortesía de Sandvik Coromant)

Sistema Ejector (Cortesía de Sandvik Coromant)

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S

Sistema Ejector: En el sistema Ejector la broca tiene dos tubos concéntricos en su interior. El fluido se inyecta a presión por el tubo exterior, recoge las virutas y las fuerza a evacuarse por el tubo interior hacia el exterior. Se utiliza en agujeros entre 50 y 100 veces el diámetro veces en que hay problemas de sellado de presión en el agujero no pudiéndose utilizar un STS o el taladrado no es continuo no pudiéndose trepanar.

No requiere máquinas especiales ni adaptaciones importantes.

Sistema Ejector

En estos sistemas se suelen utilizar plaquitas o brocas enterizas de metal duro. „

Ejemplo de taladrado

Realizamos el siguiente proceso de taladrado para realizar 10.000 piezas como la indicada en el croquis adjunto en que aparecen 6 taladros pasantes iguales de 20 mm de diámetro y 100 mm de profundidad.

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La pieza es de bronce. Se va a utilizar una taladradora manual simple con la siguiente gama discontinua de velocidades de corte (rpm). 45 57 72 90 113 142 179 280 355 450 560 710 900 1130 1420 1800 2260 2800 La herramienta utilizada es una broca helicoidal de acero rápido (HSS). Trabaja en seco. El tiempo de vida del filo de la broca es de 60 minutos para los valores de velocidades de corte recomendados por la tabla tras aplicar los valores de corrección. El fabricante nos indica que para este material, el tiempo de vida del filo aumenta o disminuye en 1 minuto cada vez que reducimos o incrementamos la velocidad de corte en 21,5 rpm respecto de la velocidad recomendada. El precio de la broca es de 25.000 pts/unidad ; su longitud útil es de 100 mm y la merma por afilado es de 1 mm. El tiempo de afilado por filo es de 15 minutos El precio máquina de taladrado es de 2000 pts/h y la de afilado 1200 pts/h. Los tiempos improductivos son de un 40%. Calcular para un régimen de máxima producción:

S S S S S

El ángulo de punta y la altura de salida de broca. Condiciones de corte adoptadas: Vc (m/min); nc (rpm); a (mm/v); Va (mm/min). Tiempo de mecanizado y tiempo del proceso de taladrado. Costos del proceso de taladrado. ¿Sería rentable utilizar una máquina taladradora manual de taladros múltiples si su precio máquina es de 6000 pts/h y los tiempos improductivos son del 30 %?

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Resolución

S

El ángulo de punta y la altura de salida de broca.

Dado que el material es bronce y la broca helicoidal consultamos la tabla 1 y observamos que el ángulo de punta es ε = 118º Debido a que el agujero de la pieza tiene profundidad p =100 mm y el agujero es pasante, L = p = 100 mm. Calculamos h a partir del D=20 mm y ε = 118º por la fórmula indicada y obtenemos la altura de salida de la broca h = 6 mm Por lo que R = 100 + 6 = 106 mm. Y además: R’= L = 100 mm.

S

Condiciones de corte adoptadas: Vc (m/min); nc (rpm); a (mm/v); Va (mm/min).

La velocidad de corte para agujeros cortos para una broca de acero rápido y una pieza de bronce lo podemos hallar en la tabla 1. Vc = 56 m/min (teórica para agujeros cortos) El avance para agujeros cortos para una broca de acero rápido de diámetro 20 mm y una pieza de bronce lo consultamos en la tabla 2. Recordemos que esta tabla nos da valores del avance para velocidades de corte para acero rápido entre 12 y 25 m/min. a = 0,45 mm/v (teórica para agujeros cortos y Vc entre 12 y 25 m/min) Como la Vc es mayor que 12 a 25 m/min se nos dice en la teoría que debemos disminuir este avance en un 12 %. a = 0,45 – ( 0,45 . 12 / 100) = 0,4 mm/v (teórica para agujeros cortos) Calculamos r la relación entre profundidad y diámetro del agujero para comprobar si en agujero el largo. r = Profundidad / Diámetro

= 100 / 20 = 5 (Se trata de un agujero largo).

Vamos a la tabla 3 para realizar la corrección de agujero largo tanto para la velocidad de corte como para el avance. Relación r (profundidad / φ) 5

Reducción de la velocidad corte en % 30

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Reducción del avance en % 20

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Vc = 56 – ( 56 . 30 / 100) = 39,2 m/min (teórica) a = 0,4 – ( 0,4 . 20 / 100) = 0,32 mm/v (teórica) Vamos ahora a calcular esta velocidad de corte para la máquina empleada. Debido a que tiene una gama de velocidades de corte discontinua deberemos calcular la velocidad de corte, para ello primero calculemos la Vc en rpm.

nc = 39,2 . 1000 / π . 20 = 624 rpm Este valor está entre 560 y 710 rpm. Para un régimen de máxima producción elegimos 710 rpm. nc = 710 rpm luego Vc = 710 . π . 20 / 1000 = 44,6 m/min ; Vc = 44,6 m/min Debido a que la gama de avances de la máquina es continua, el avance es el antes calculado. a = 0,32 mm/v La velocidad de avance será: Va = a . nc = 0,32 . 710 = 227,2 mm/min. Va = 227,2 mm/min

S

Tiempo de mecanizado y tiempo del proceso de taladrado.

Tiempo de mecanizado:

tm = 106 . 6 . 10000 / 227,2 = 27993 min = 466,55 h ; tm = 27993 min El tiempo del proceso de taladrado con un 40 % de tiempos improductivos. tpr = 1,4 tm = 39190 min = 653,13 h ; tpr = 39190 min

S

Costos del proceso de taladrado. ƒ

Costos de máquina

Cmáq = 653,13 . 2000 = 1.306.260 pts ƒ

Costos de herramientas

Primero debemos calcular el tiempo de vida por filo. Como la velocidad de corte teórica nc = 624 rpm en que el tiempo de vida del filo es To = 60 min, y la velocidad de corte real es de nc = 710 rpm y cada 21,5 rpm se reduce la vida del filo en 1 minuto, el nuevo tiempo de vida del filo será To = 56 min.

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710 – 624 = 86 rpm 86 / 21,5 = 4 -- > 4 minutos To = 60 – 4 = 56 min. A continuación el tiempo en el cual la herramienta se desgasta:

T desg filo = 100 . 6 . 10000 / 227,2 = 26408 min = 440,14 h Hallamos el número de filos necesarios

N filos = 26408 / 56 = 471,57 filos Calculamos el número de filos que puede tener la broca.

Naf = 100 / 1 = 100 filos Calculamos el número de brocas que necesitaremos:

N’ brocas = 471,57 / 100 = 4,71 brocas (decimal, para hallar costes afilado) N brocas = 471,57 / 100 = 4,71 = 5 brocas (Entero, lo que encargamos a proveedor). El coste de herramientas es: Cherr = N brocas . Pr herr Cherr = 5 . 25000 = 125000 pts. ƒ

Costos de afilado El número de afilados de la broca serán Nafil = Naf -1

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Nafil = 100 – 1 = 99 afilados. El tiempo que se necesitará para afilar las brocas. Taf broca = T af filo . Nafil T af broca = 15 . 99 = 1485 min

Antes hemos calculado el número de brocas. Elegimos ahora el valor con decimales ya que la última broca no la afilamos totalmente.

N’brocas = 4,71 brocas

El tiempo total de afilado para todo el proceso será: Taf = N’brocas . Taf broca T af = 4,17 . 1485 = 6192,4 min = 103,2 h El costo por afilado será: Cafil = Taf . Pr’máq Cafil = 103,2 . 1200 = 123840 pts ƒ

El coste total del proceso Cpr = Cmáq + Cherr + Cafil Cpr = 1.306.260 + 125000 + 123840 = 1.555.100 pts

S

¿Sería rentable utilizar una máquina taladradora manual de taladros múltiples si su precio máquina es de 6000 pts/h y los tiempos improductivos son del 30 %?

En una máquina de taladros múltiple haríamos los 6 agujeros a la vez por lo que El tiempo de proceso sería: tm = 106 . 10000 / 227,2 = 4665,5 min = 77,76 h ; El tiempo del proceso de taladrado con un 30 % de tiempos improductivos. tpr = 1,3 tm = 6065 min = 101,08 h ; El costo máquina sería:

Cmáq = 101,08 . 6000 = 606480 pts

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El costo de herramienta será mayor ya que necesitamos un mínimo de 12 brocas para poder afilarlas en paralelo. En teoría 6 brocas trabajando y 6 afilándose. Cherr = N brocas . Pr herr Cherr = 12 . 25000 = 300000 pts. El costo por afilado será aproximadamente el mismo. Cafil = 103,2 . 1200 = 123840 pts El coste aproximado total: Cpr = 606480 + 300000 + 123840 = 1030320 pts El coste es menor por lo que sería aconsejable una máquina de taladrado múltiple.

19. AUTOMATIZACIÓN DE LAS MÁQUINAS HERRAMIENTAS En este capitulo se hace una valoración de la evolución que han tenido las máquinas hasta alcanzar una total automatización industrial. En un principio el término de automatización se asociaba al ámbito de la fabricación en serie, utilizando máquinas especiales como los Transfer que eran controlados por sistemas de automatismo rígido, lo que hacía que esta fuera limitada. En las máquinas convencionales la automatización estaba vinculada a procesos pocos flexibles, pero con la aparición de los controles numéricos ha surgido una nueva concepción de la automatización y por ende los procesos de fabricación han alcanzado un alto nivel de desarrollo. El control numérico por definición es el control automático de un proceso, ejecutado por un dispositivo que utiliza datos numéricos introducidos antes y/o durante la realización de la operación. Las nuevas tecnologías incorporadas al proceso productivo, especialmente la microelectrónica, la automática, técnicas de control, informática y la tecnología de materiales, permiten nuevos enfoques a la resolución de problemas en la producción. En particular la aplicación de las técnicas de la informática en los procesos de fabricación industrial nos han permitido alcanzar un alto grado de automatización de una amplia gama de productos, en la mayoría de sus fases de producción, como es en la ejecución de:

S S S S „

Operaciones de mecanizado: Torneado, fresado, taladrado, etc. Operaciones complementarias: Alimentación de la máquina, montaje, sujeción y desmontaje de la pieza y herramientas. Control de la calidad. Medición de piezas, reglaje de herramientas. Operaciones de terminación: Pintura, ensamblaje y embalaje. Diferencias entre la máquina herramienta convencional y la máquina herramienta con CNC

Haciendo una comparación entre la M.H. convencional y la M.H. con CNC tenemos que en la primera el operario ha de realizar una serie de tareas tales como: S Seleccionar y poner la herramienta adecuada.

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S S S S S S

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Fijar la pieza al plato o mesa. Seleccionar la velocidad de giro de la pieza. Seleccionar la velocidad de avance de la herramienta en caso que este sea automático o realizarlo manualmente. Posicionar manualmente la herramienta de acuerdo a la medida a obtener. Verificar los resultados. Retirar la herramienta y la pieza una vez finalizada la operación.

A diferencia de la anterior en las máquinas con CNC el operario realiza solamente las siguientes funciones:

S S

Elabora el programa que da las ordenes y la información necesaria al CNC. Fija la pieza y pone en marcha el programa apretando la tecla de ejecución.

El resto de funciones las realiza propiamente la máquina, los movimientos en vez de realizarlos el operario con las maniguetas, lo hacen los motores, la posición correcta de la herramienta la informa el captador de posición y las velocidades de corte las controla el controles numéricos comparando la información de sus valores que recibe de los tacómetros con los deseados y modificando las señales enviadas a los motores hasta obtener las velocidades deseadas. En las máquinas con CNC se eliminan los engranajes de las cajas de cambio necesarias para variar las velocidades de corte y de avance ya que el cambio con dos o tres marchas como mucho se realiza de manera continua dentro de un cierto margen, además, generalmente los motores accionan directamente los ejes, con lo cual existe menos vibración y por lo tanto mejores acabados de las piezas. Con la aplicación de la tecnología de los ordenadores a los CNC, se ha ampliado y potenciado las posibilidades de explotación de estos últimos y por tanto una elevada flexibilidad de funcionamiento de las Máquinas Herramientas, así como una integración total de procesos, como es el caso de las Células de Fabricación Flexible, donde los controles numéricos de las máquinas que la componen están comunicadas con un ordenador exterior que controla, supervisa y gestiona toda la célula. Al mismo tiempo estas células pueden estar integradas entre ellas y dentro del proceso productivo global de la empresa bajo la concepción CIM (Computer Integrated Manufacturing). Como componente fundamental de un sistema CIM no podían faltar los Robots Industriales que conjuntamente al desarrollo alcanzado por las MHCN, gracias al avance de la microelectrónica, estos han llegado a la categoría de inteligentes, teniendo alguna capacidad de percepción sensorial y por lo tanto la posibilidad de variar su acción en función de las instrucciones programadas en su memoria. Todo esto ha permitido completar la automatización de los procesos industriales, garantizando un aumento de la productividad de la empresa, así como una reducción considerable de los costos de fabricación utilizando menos mano de obra e incluso llegar a disponer de fábricas totalmente automáticas, es decir casi sin personal. En adición, el progreso de las comunicaciones industriales entre los equipos controlados por microprocesador, como es la vía comunicación serie RS232, ha permitido alcanzar integraciones de los procesos de diseño y fabricación. Es posible lograr la integración de diferentes máquinas en entornos totalmente automatizados, donde los distintos controles numéricos de las mismas están conectados a un sistema de comunicación digital compuesto por otros controles y ordenadores. De aquí surge el concepto de Distributed Numerical Control (DNC), según el cual las funciones se distribuyen entre los CONTROLES NUMÉRICOS C de las máquinas y el ordenador u ordenadores. Por ejemplo el ordenador puede fungir como almacén de programas o bien puede tener la función de control, supervisión y gestión de todas las máquinas, coordinando e integrando todo el conjunto, como es en el caso de los Sistemas de Fabricación Flexible y la Fabricación Integrada por Computador (CIM). Simultáneamente a todo este desarrollo en la electrónica, la construcción de las máquinas ha alcanzado un elevado nivel en la precisión de sus funciones a causa de la calidad y durabilidad de los materiales, con lo cual se han incorporado otros elementos a las Máquinas de Control Numérico como son:

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S S S S

Palets y fijaciones universales. Sistema de carga y descarga automática de piezas y herramientas. Mecanismos de seguridad para el operario. Sistema de detección de rotura de herramientas y de medición de útiles y piezas acabadas. Todo ello ha proporcionado un aumento de la productividad, de la calidad y eficiencia de los productos y por ende la reducción de los costos de producción.

Paralelo a ello se le exige mayor precisión y repetibilidad, por lo que es necesario un diseño y construcción mejor que en las convencionales. „

Generalidades del CNC

Control Numérico significa literalmente mando mediante números, es un sistema que permite gobernar automáticamente las máquinas mediante un programa, previamente introducido en la memoria de este, en el que las operaciones a realizar son descritas según un código alfanumérico, es decir mediante combinaciones de letras, números y símbolos. Ejemplo de programación. %00341 N0010 G0 G71 G90 G94 G97 X45 Z80 F400 S1200 T1.1 M03 N0020 G1 X0 Z90 N0030 X25 Z90 N0040 X30 Z87

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Funciones que se pueden controlar a través de un controles numéricos: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

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Las posiciones y los movimientos de los carros y del cabezal. Los valores y sentido de las velocidades de avance y de corte. Los cambios de herramientas y de piezas. Las condiciones de funcionamiento de la máquina (refrigerante, lubricación). Estado de funcionamiento de la máquina (defectos, averías).

Aplicaciones

Actualmente existe un amplio ámbito de aplicación de la tecnología de Control Numérico, aunque el mayor porcentaje recae sobre el grupo de máquinas de arranque de viruta. En función del numero de piezas que componen el lote de producción resulta rentable el tipo de maquina herramienta con controles numéricos C que se utilice, es decir: En series grandes de más de 10000 piezas por lote, se deben utilizar: Las Máquinas Transfer (mecanizan simultáneamente diversas operaciones, tiene como inconveniente su elevado coste de preparación). En series medias, se utilizan Copiadoras o Máquinas Universales con Control Numérico. Las copiadoras son económicas pero la precisión es limitada y son poco versátiles, mientras que la de controles numéricos C es muy precisa.

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Casos en que resulta conveniente utilizar una MH controles numéricos . ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Piezas con formas complicadas. Relación Tiempo de preparación /Tiempo de mecanizado elevado. Necesidad de utilizar varias máquinas para realizar diferentes operaciones. Coste de utillajes y de piezas defectuosas elevado. Excesiva fatiga del operario.

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Ejemplo de máquinas provistas de Control Numérico. Taladros Troqueladoras Tornos. Centros de Mecanizados

Máquinas de Soldar Rectificadoras Prensas Maq. Electroerosivas

Fresas Punteadoras Cepilladoras Robots Industriales

Figura 13 .Centro de mecanizado vertical con CNC Okuma OSP-U10M, cortesía de OKUMA

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Ventajas e inconvenientes de los controles numéricos Ventajas ƒ

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Inconvenientes ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

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Mayor productividad ya que las operaciones se realizan con gran rapidez en los posicionamientos y sin tiempos muertos, Además el tiempo de cambio de herramienta y de pieza se reduce. Gran flexibilidad en la planificación de la producción, solo basta cambiar el programa para realizar otro trabajo y a demás dicho programa se puede conservar e introducir en la memoria tantas veces se desee repetir el trabajo. Mínimos controles piezas defectuosas y número de operarios. Se pueden fabricar piezas complejas con superficies tridimensionales. Ahorro de herramientas y utillajes por ser más universales. Más precisión, repetibilidad y uniformidad en el mecanizado.

La inversión por puesto de trabajo es mas elevada. Detallada planificación del trabajo. Mantenimiento más técnico y cualificado. Dificultad de adaptación de los operarios. Se requiere de un banco de pre-reglaje de herramienta.

Programación asistida

La programación asistida por ordenador permite que la realización de los programas se hagan de una manera más cómoda, utilizando para ello como instrumento de programación un ordenador, este ofrece un conjunto de herramientas muy versátiles gracias a su capacidad potente de cálculo y de

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procesamiento de información. Uno de los primeros sistemas de programación asistida es el APT (Automated Programing Tools) y el más reciente es el sistema CAD/CAM, que dotan a la programación de capacidad de recoger información gráfica del mismo plano. Posteriormente en el afán de alcanzar altos niveles de automatización en los procesos de fabricación, se han desarrollado los sistemas CAD/CAE/CAM (Computer Aided Dising/ Computer Aided Engeenier/ Computer Aided Manufacturing), estos pueden aplicarse en las áreas de Control Numérico, de Planificación de los procesos de fabricación, en la de Robótica y de Dirección de Empresa. A partir de la información geométrica del modelo diseñado en CAD y de los parámetros de mecanizado descritos en la planificación del proceso de fabricación, los procesadores del propio sistema CAD/CAM generan en un lenguaje propio las instrucciones de controles numéricos , las cuales son simuladas en el ordenador, antes de enviarlas al controles numéricos de la MH, para corroborar la perfección del programa. A continuación se realiza un postprocesado para adaptar el programa a las instrucciones ISO correspondientes a la MHCN a utilizar. Fases de funcionamiento del programa CAD/CAM.

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Creación del dibujo (origina una base de datos de entidades: geometría, acotación). Descripción del mecanizado (aumenta la base de datos con otras entidades: camino de la herramienta, velocidad de corte y de avance). Traducción de las entidades del mecanizado al lenguaje ISO de la MHCN Procesado y Postprocesado. Ejemplos: CATIA, PROINGENEER, CIMATRON, MASTERCAM.

Figura 14. Etapas de la aplicación “MASTERCAM”, cortesía de InterCAM S.A.

Las técnicas más reciente en la simulación de procesos es el método de elementos finitos. (FEM) „

Fabricación integrada por computador (CIM)

Se denomina CIM a la integración computarizada de todas las actividades que tienen lugar en una Empresa Industrial, entre ellas el Marqueting, Diseño y dibujo, Planificación y Control de la producción, Fabricación y Envío del producto terminado. „

Fabricación Flexible

Una máquina herramienta es flexible si esta tiene la capacidad de fabricar piezas diferentes, tanto en su forma geométrica como en el tipo de mecanizado a aplicarle, donde los tiempos de preparación son mínimos. Ejemplo:

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Poco flexible: En el Torno automático con levas sólo se puede mecanizar la familia de piezas para las cuales se dispone del juego de levas y con unos tiempos de preparación largos.

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Muy flexible: El Centro de mecanizado puede mecanizar diferentes piezas con una amplia gama de operaciones de mecanizado y con unos tiempos de preparación mínimos.

Por lo tanto la fabricación flexible es un sistema que permite la producción automática y simultánea de una familia de piezas diferentes dentro de una cierta gama de volúmenes, tamaños y formas, minimizando e incluso anulando, los costes adicionales por el cambio de fabricación, lo cual proporciona una productividad y unos costes unitarios solo alcanzados hasta ahora por la fabricación de grandes series. Por lo que es un sistema que combina tecnologías de CONTROLES NUMÉRICOS C con tecnologías de manipulación automática de materiales y herramientas, con ensamblaje de piezas y sobre todo con el soporte de Hardware y Software necesario para conseguir un sistema integrado, encaminado a alcanzar un proceso automático de piezas y subunidades a través de una serie de estaciones de trabajo que componen el sistema total

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Principales funciones desarrolladas por un sistema de fabricación flexible: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

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Mecanización automática. Cambio automático de piezas y herramientas. Transporte automático entre máquinas. Identificación de piezas y herramientas. Auto corrección de desviaciones. Gestión de máquina, materiales y herramientas.

Características de una fabricación flexible. ƒ

Flexibilidad. - Producto (forma, dimensiones, materiales, previsión). Se logra mediante controles numéricos de diseño modular, donde el producto terminado se obtiene del ensamblaje de una gran variedad de grupos. -Producción (cantidad, lotes, programas). Se logra reduciendo al mínimo los tiempo de programación de máquinas, se automatizan almacenes, transportes, manutención, y se flexibiliza la mano de obra con una mayor formación y polivalencia.

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Automatización en el mecanizado: Cambio de pieza y herramienta, transporte, identificación, limpieza y verificación de piezas.

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Productividad: Mediante la rapidez en el cambio de herramienta y de pieza, pocas averías y optimización del mecanizado.

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Calidad del producto. Inspección de piezas, Precisión de máquinas, Estabilidad térmicas, Rigidez y Autocorrección.

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Fiabilidad del proceso. Control de desgaste, Control de desviaciones, Control de condiciones de mecanizado y mantenimiento preventivo.

Control de la célula de fabricación flexible: Para la coordinación de todo el taller se precisa la incorporación de un sistema informático que centralice el control distribuido de los ordenadores de la planta de fabricación, además tendrá que vigilar el estado global del taller y registrar las piezas fabricadas y unidades ensambladas y debe comunicarse con el ordenador central que se ocupará de la dirección de la producción, enviando toda la información necesaria, instrucciones sobre piezas, herramientas, utillajes, etc. Es decir se alcanza la integración de las nuevas tecontroles numéricos ologías, surgiendo el CIM.

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Figura15. Célula de fabricación flexible, cortesía de Hitachi Seiki Co., Ltd.

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Manufactura integrada por ordenador. (CIM). Funciones que se integran en el CIM: ƒ

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Plan de Empresa. Simulación económica. Previsiones a largo plazo. Servicios de pedidos. Gestión de inventarios de productos acabados. Ingeniería. Anteproyecto asistido por ordenador. Diseño de herramienta asistido por ordenador. Tecontroles numéricos ología de grupo. CAD (Diseño Asistido por Ordenador). Planificación de producción. Sistema de planificación de procesos. Programación de componentes. Gráficos de CONTROLES NUMÉRICOS . Catálogo de materiales y herramientas. Programación de necesidades de materiales (MAP). Simulación de la planificación de cadenas de producción. Gestión de inventarios de materiales y componentes. Control de fabricación. Aprovisionamiento. Recepción. Métodos y estándares. Gestión de inventario de obra en curso. Programación a corto plazo. Sistema de seguimiento de ordenes de fabricación. Monitorización de planta. Monitorización carga de máquinas. Monitorización prestaciones de máquinas. Monitorización horas por hombre. Monitorización almacenes de materiales. Mantenimiento preventivo. Pruebas de calidad de obra en curso. Automatización de proceso. Control numérico, digitalizado y computarizado (NC, DNC, CONTROLES NUMÉRICOS C). Control adaptativo. Montaje automático.

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Inspección automática. Ensayos computarizados. „

Robot industriales

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Generalidades. Entre las prestaciones de la Célula Flexible tiene un papel importante la manutención o manipulación de piezas y herramientas realizada a través de los manipuladores. Tipos de manipuladores en general utilizados en la Célula Flexible: ƒ ƒ ƒ ƒ ƒ

Manipuladores de ciclo fijo. Manipuladores programables. Robots de aprendizaje. Robots con controles numéricos C. Robots inteligentes (con sensores).

Un Robot Industrial es un manipulador mecánico multifuncional reprogramable diseñado para traslado de piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos variados, programados para la ejecución de operaciones diversas. Los robots en muchas tareas no sólo sustituyen al hombre sino que lo superan por las siguientes razones: ƒ ƒ ƒ ƒ

Pueden manipular piezas y cargas de peso muy elevado y con altas temperaturas. Ej. extracción de piezas de las cámaras de los hornos. Trabajan en ambientes hostiles, de atmósferas muy contaminadas. Ej. pintura. Soportan niveles de ruido no admisibles para el hombre. Pueden trabajar 24 horas diarias.

Sabemos que el Robot Industrial es un elemento por si mismo de automatización flexible, gracias a su carácter multifuncional y reprogramable, pero además requiere su integración con las otras máquinas y sistemas del entorno, donde existen tres niveles de sistema de automatización: ƒ ƒ

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Sistema robótico: Formado por uno o más robots con sus correspondientes terminales y los dispositivos complementarios, llamados elementos peri-robóticos (sensores, alimentadores). Célula de fabricación flexible: Formada por una o más máquinas herramientas y otros sistemas auxiliares dispuestos en forma de célula, donde el robot, posiblemente ubicado en el centro de la célula, funciona como servidor del sistema. (carga, descarga, inspección). Sistema fabricación flexible: Formado por un conjunto de MH y sistemas auxiliares dispuestos en forma de líneas de fabricación. El robot interviene como una máquina más, o bien haciendo funciones de manipulación o inspección. El control supervisor del conjunto siempre está por encima del control de los robots que intervienen.

Tomando como referencia la manufactura, es decir fabricación a mano, la automatización puede ser: ƒ ƒ ƒ ƒ

Automatización rígida. Maquinaria se ajusta físicamente al producto fabricado, modificaciones en el producto implican modificaciones largas y costosas en la máquina. Automatización programable. Maquinaria puede adaptar los movimientos y operaciones por medio de un programa. Automatización flexible. Automatización programable en que el sistema es capaz de fabricar simultáneamente cierta variedad de productos, según una secuencia aleatoria. Automatización inteligente. Forma de automatización flexible capaz de generar el programa de operaciones automáticamente, en parte o total, en función del conocimiento inicial que posee, o de modificar el programa en función de la información de su entorno que obtiene mediante los sensores. Además es el resultado del desarrollo, la integración y la aplicación, en los sistemas de fabricación de técontroles numéricos icas nuevas y muy sofisticadas, de la inteligencia artificial y de los sistemas de percepción artificial (visión y tacto artificial, reconocimiento de la voz, etc).

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Uno de los índices sobre el grado de automatización avanzada de un país lo constituye el parque de robots industriales instalados y su evolución. „

Ejemplo de participación de un Robot en la Célula de fabricación flexible de Torno.

Estructura del Robot Industrial: S Estructura mecánica: ƒ Estructura articulada: Formada por la Base, el Brazo y el Puño. ƒ Accionamientos (motores, transmisiones y sensores).

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Unidad de control con memoria para registrar instrucciones y actuar en función de ellas indefinida-mente.

Los Robots según la estructura del brazo pueden ser: ƒ Cartesianos ƒ Cilíndricos ƒ Esférico ƒ Angular ƒ Scara ƒ Vertebrado. Según la estructura del puño pueden ser: De 1 eje, De 2 ejes, De 3 ejes. „

Aplicaciones industriales

Las aplicaciones, de acuerdo a las características y prestaciones necesarias para la ejecución de deferentes operaciones, se pueden clasificar en:

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Manipulación de objetos. Ej. Transferencia, Paletización, Carga y Descarga de máquinas. Operaciones de proceso. El robot manipula una herramienta. Ej. Soldadura por puntos y por arco, Pintura por proyección. Montaje de piezas. Se aplica en la colocación de diversas piezas en posiciones relativas y eventualmente su fijación mediante elementos de unión, formando un conjunto más complejo o grupo Inspección de piezas. Paletizado de cajas

Soldadura por arco

Manipulación de materiales

Ensamblaje de carrocería

Figura 16 . Aplicaciones industriales de los robots, cortesía de ABB Flexible Automation.

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