04 - operaciones de maquinado

OPERACIONES Y ECONOMÍA DEL MAQUINADO LUIS ALEJANDRO AMORTEGUI OSORIO

CONTENIDO

Aspectos Generales

Torneado y operaciones relacionadas

Taladrado y operaciones relacionadas

Fresado y operaciones relacionadas

Centros de Mecanizado

Otras operaciones de Mecanizado

Mecanizado de alta velocidad

Vida de la herramienta

Maquinabilidad y Costo del Mecanizado

Recomendaciones Generales

MECANIZADO ASPECTOS GENERALES

MAQUINADO O MECANIZADO

Proceso de remoción de material en el cual una herramienta de corte afilada es usada para remover mecánicamente material y dejar la geometría deseada:

La aplicación más común es darle forma a metales.

Mecanizado es el procesos de fabricación más versátil y preciso en el que se puede producir una amplia variedad de formas y características geométricas.

La fundición también puede producir varias formas y características geométricas pero no con la misma precisión del mecanizado.

CLASIFICACIÓN DE LAS PIEZAS MECANIZADAS

1. Rotacionales o de revolución

2. No rotacionales o prismáticas

OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO

Cada operación de maquinado forma características en la pieza de trabajo de acuerdo a:

1. El movimiento relativo entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo

• Generación: La trayectoria de la herramienta da forma a la pieza de trabjo

2. Forma de la herramienta de corte

• Formado: La herramienta de corte tiene el reverso de la forma a producir

OPERACIONES DE MAQUINADO Y GEOMETRÍA DE LA PIEZA DE TRABAJO

TORNEADO Y OPERACIONES RELACIONADAS

TORNEADO

La herramienta de un solo filo de corte remueve el material de una pieza de trabajo que rota y genera una forma de revolución.

La maquina herramienta donde se ejecuta la operación es el TORNO.

Operaciones relacionadas al torneado que pueden ser hechas en un torno son:

Careado

Torneado de formas

Achaflanado

Tronzado o Ranurado

Roscado

TORNEADO

CONDICIONES DE CORTE EN EL TORNEADO

La velocidad de rotación de la pieza se relaciona con la velocidad de corte con la siguiente expresión:

La velocidad de avance viene dada por:

La tasa de remoción de material es:

Tiempo de Mecanizado

o

vN

D

rf N f

RMR v d f

m

r

LT

f

OPERACIONES DE TORNEADO

CAREADO TORNEADO DE FORMA


ACHAFLANADO TRONZADO O RANURADO


ROSCADO

TORNO CONVENCIONAL

MÉTODOS DE SUJECIÓN DE PIEZAS

Plato de tres mordazas Sujeción entre centros

METODOS DE SUJECIÓN DE PIEZAS

Boquilla Plato de sujeción de cara

MANDRINADO

Es una operación similar al torneado, es decir que usa una herramienta de un solo filo contra una pieza rotativa.

La diferencia con el torneado es que:

El mandrinado se hace sobre una superficie interior o agujero ya formado.

El torneado se hace sobre la superficie exterior de un cilindro.

La maquinas mandrinadoras pueden ser de eje de rotación horizontal o vertical-

TALADRADO Y OPERACIONES RELACIONADAS

TALADRADO

Realiza en agujero redondo en la pieza de trabajo

Al contrario del mandrinado que sólo puede aumentar el tamaño de agujeros existentes.

La herramienta se llama broca

Comúnmente se realiza en un Taladro de Banco

CONDICIONES DE CORTE EN EL TALADRADO

Las condiciones de corte para una operación de taladrado vienen dadas por:

Donde D es el diámetro de la broca

fr es la velocidad de avance

vN

D

rf N f

2

4rRMR D f

TALADRADO

Agujero Ciego Agujero Pasante

OPERACIONES DE TALADRADO

Rimado o escariado Roscado

OPERACIONES DE TALADRADO

Abocardado Avellanado

TALADROS

Taladro de Banco Taladro Radial

SUJECIÓN DE PIEZAS

Guía de Taladrado Prensa

FRESADO Y OPERACIONES RELACIONADAS

FRESADO

Operación de maquinado donde la pieza de trabajo se hace pasar frente a una herramienta de corte rotativa con múltiples filos de corte.

El eje de rotación de la herramienta es perpendicular a la dirección del avance.

Normalmente crea una superficie plana, pero superficies con otras forma pueden ser hechas con la forma de la herramienta o la trayectoria.

Es una operación interrumpida de corte.

La herramienta es la fresa y los filos de corte son los dientes de la fresa.

La maquina herramienta es la fresadora.

TIPOS DE FRESADO

Fresado Periférico Fresado de cara o refrentado

OPERACIONES DE FRESADO

Fresado de Bloque Ranurado


Refrentado Tradicional Fresado Frontal


Fresado de Cavidades Fresado de Perfiles


Fresado de Superficies

CONDICIONES DE CORTE EN EL FRESADO

La velocidad de rotación de la herramienta en función de la velocidad de corte viene dada por:

La velocidad de avance viene dada por

nt es el numero de dientes de la fresa y f es la carga de viruta.

La tasa de remoción de material MRR viene dada por:

vN

D

r tf N n f

rRMR w d f

VELOCIDADES DE CORTE DIVERSAS

AVANCES EN TORNEADO

CARGA DE VIRUTA

http://robbjack.com/tools/S1-401-12

CENTROS DE MECANIZADO


Máquinas herramienta altamente automatizadas, capaces de ejecutar múltiples operaciones de mecanizado a través de Control Numérico Computarizado.

La programación se realiza al inicio del trabajo

La interacción humanada durante las operaciones es mínima.

Las operaciones que se lleva a cabo son taladrado y fresado

Se clasifican en máquinas de Tres, Cuatro o Cinco ejes.

Características:

Cambio automático de herramientas.

Posicionamiento y cambio de la pieza de trabajo automático.

OTRAS OPERACIONES DE MECANIZADO

CEPILLADO Y PERFILADO

Se crea una superficie plana y recta

Usa una herramienta de un solo filo de corte

El corte es interrumpido a diferencia del torneado que es continuo.

La herramienta es sujeta cargas de impacto cada vez que inicia el corte.

Las velocidades de corte son bajas debido al movimiento de vaivén.

Usualmente se usan herramienta de corte de acero de alta velocidad

CEPILLADO

Cepillado Perfilado

CEPILLADO

PERFILADO

BROCHADO

Usa una herramienta de corte de múltiples filos

El movimiento relativo entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte es línea y en una dirección

Produce buen acabado superficial, tolerancias cerradas

Es posible realizar una gran variedad de formas.

La maquina herramienta es la Brochadora y la herramienta es la Brocha

Debido a la forma en ocasiones complicada de la brocha, las herramientas son costosas.

BROCHADO (HERRAMIENTA)

BROCHADO (FORMAS)

ASERRADO

Es un proceso en el que se corta un hendidura angosta en la pieza de trabajo con una herramienta que tiene dientes estrechamente espaciados.

Se usa para separar una pieza de trabajo en dos.

O para cortar un pedazo indeseado de material de una pieza de trabajo

La herramienta se llama hoja de sierra

ASERRADO

Segueta Motorizada Sierra de Cinta

Sierra Circular

MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD

MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD

Velocidades de corte significativamente altas comparadas con las usadas en operaciones de corte convencionales.

Proviene de la constante a través de la historia de buscar velocidades de corte cada vez mas altas.

En el presente se hay un especial interés en el HSM debido al potencial de altas tasas de producción, bajos tiempos de espera y reducción de costos.

COMPARACIÓN ENTRE MECANIZADO DE ALTA VELOCIDAD Y CONVENCIONAL

Material de trabajo Velocidad convencional Alta velocidad

m/min ft/min m/min ft/min

Aluminio 600+ 2000+ 3600+ 12,000+

Fundición de hierro suave 360 1200 1200 4000

Fundición de hierro dúctil 250 800 900 3000

Aleaciones de acero 210 700 360 1200

Fuente: Kennametal Inc.

REQUERIMIENTOS PARA IMPLEMENTACIÓN

Rápidas velocidades de posicionamientos.

Cambios automáticos de herramientas.

Rodamientos espaciales diseñados para altas RPM

Capacidad de soportar altos avances (50 m/min)

Herramientas de corte, soportes de herramientas y husillos balanceados para minimizar las vibraciones.

Sistemas de enfriamiento que trabajen a alta presión.

Sistemas de control y remoción de viruta que puedan manejar las altas cantidades de material removido.

APLICACIONES

Industrias:

Aeronáutica

Automotriz

Informática

Médica

Moldes para productos de consumo masivo

VIDA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE

VIDA DE LAS HERRAMIENTAS DE CORTE

Los dos principales aspectos que influyen en la vida de la herramienta son:

1. Material de la herramienta

2. Geometría de la herramienta

MODOS DE FALLA

Falla por fractura

La fuerza de corte es muy alta y dinámica, lo que lleva a una fractura frágil.

Falla por Temperatura

La temperatura de corte es muy alta para el material de la herramienta.

Desgaste

Desgaste ocurrido por el uso.

FALLA POR DESGASTE

La fractura y temperatura son fallas prematuras, por lo tanto son indeseables.

El desgaste gradual de la herramientas es deseable sobre los otros dos modos de falla dado que permite un mayor uso.

El desgaste ocurre de dos parte de la herramienta:

En la superficie de la cara de ataque

En la superficie de incidencia.

DESGASTE DE LA HERRAMIENTA

El desgaste que ocurre en la cara o superficie de ataque se conoce como Desgaste de Cráter

Consiste en una cavidad en la superficie de ataque que se forma y crece por acción de la viruta que se desliza sobre esa superficie.

Los altos esfuerzos y temperatura tienen especial incidencia.

La cavidad se mide por su profundidad y área.


El desgaste que ocurre en la superficie de relieve de la herramienta es llamado Desgaste de Flanco.

Resulta del rozamiento entre la recién creada superficie de la pieza y la cara adyacente al borde de corte

Se mide por el ancho de la banda de desgaste

Ocurre un desgaste de muesca por la mayor dureza superficial de las piezas de trabajo


(Courtesy Manufacturing Technology Laboratory, Lehigh University, photo by J. C. Keefe)

VIDA DE LA HERRAMIENTA

DESGASTE

Los mecanismos que generan el desgaste son:

Abrasión

Adhesión

Difusión

Reacciones Químicas

Deformación Plástica


La vida de la herramienta es el tiempo de corte en el cual la herramienta funciona.

Es decir el tiempo de corte hasta que ocurra una falla catastrófica

Esta definición es impráctica durante producción dada las implicaciones económicas, productivas, de calidad y de seguridad que tiene una falla catastrófica.

Es por esto que normalmente se define un nivel de desgaste de flanco aceptable como criterio para establecer la vida de una herramienta.

ECUACIÓN DE TAYLOR PARA LA VIDA DE LA HERRAMIENTA

La ecuación de Taylor permite predecir la vida de la herramienta en función del material y la velocidad de corte.

Las constantes C y n dependen del material de la herramienta.

nv T C

VALORES DE n Y C DE LA ECUACIÓN DE TAYLOR

Material n C

𝒎 𝒎𝒊𝒏 C

𝒇𝒕 𝒎𝒊𝒏 C

𝒎 𝒎𝒊𝒏 C

𝒇𝒕 𝒎𝒊𝒏

Acero para herramienta al carbono 0.1 70 200 20 60

Acero de Alta Velocidad 0.125 120 350 70 200

Carburo Cementado 0.25 900 2700 500 1500

Cermet 0.25 600 2000

Carburo Recubierto 0.25 700 2200

Cerámico 0.6 3000 10000

Aplicación de corte (Aceros no Incluidos)

Aplicación de corte en Aceros


Los siguientes criterios deben acompañar el uso de la ecuación de Taylor debido a la dificultad de medir el desgaste durante producción:

1. Inspección de los dos desgastes en la herramienta

2. Sonido de la operación de corte

3. Cambio de forma de la viruta.

4. Degradación del acabado superficial de la pieza de trabajo.

5. Aumento en el consumo de potencia.

6. Conteo de piezas maquinadas

COSTO DE MECANIZADO

COSTOS (MAXIMIZACIÓN DE LA TASA DE PRODUCCIÓN)

Para maximizar la tasa de producción se debe minimizar el tiempo de maquinado por pieza.

En el torneado, un ciclo de producción de una pieza consiste en tres tiempo:

1. Tiempo de manejo de una Pieza = Th

2. Tiempo de maquinado de la pieza = Tm

3. Tiempo de Cambio de Herramienta: = Tt/np , donde np es el numero de pieza produjeron durante la vida de la herramienta.

La suma de los tres tiempo proporciona el tiempo de ciclo total por unidad para el ciclo de producción

tc h m

p

TT T T

n

TIEMPO DE CICLO Vs. VELOCIDAD DE CORTE

MINIMIZACIÓN DEL TIEMPO PRODUCCIÓN

En el torneado el tiempo de maquinado viene dado por la siguiente expresión:

El numero de piezas que se pueden fabricar con una herramienta viene dado por:

Donde T es la vida de la herramienta que se deriva de la ecuación de Taylor.

m

D LT

v f

p

m

Tn

T

nv T C

MINIMIZACIÓN DEL TIEMPO DE PRODUCCIÓN

Si se reemplazan las anteriores expresiones en el tiempo de ciclo de producción:

Si esta expresión se minimiza, la velocidad en que se logra esto es:

1

1

1n

n

t

c h

T D L vD LT T

f v f C

max

11

n

t

Cv

Tn

MINIMIZACIÓN DEL COSTO

El costo total por unidad producida es:

Este es función de la velocidad de corte.

Si esta expresión se deriva para obtener la velocidad que minimice el costo, se obtiene:

toT tc o h o m

p p

C CC C T C T

n n

1

1

1n

n

o t to

c o h

C T C D L vC D LC C T

f v f C

min1

n

o

o t t

Cnv C

n C T C

COSTO UNITARIO Vs VELOCIDAD DE CORTE

NOTACIONES

Al aumentar C y n en la ecuación de vida de Taylor, la velocidad optima de corte debe disminuir.

Herramientas de carburo cementado y cerámicas deben ser usadas a velocidades de corte consideradamente mas altas que de Acero Rápido.

vmax es siempre mayor que vmin

Si el tiempo de cambio de herramienta Tt y/o el costo de la herramienta Ct aumenta, la velocidad de corte debe disminuir.

Las herramientas no deben ser cambiadas muy a menudo si el costo de cambio o de la herramienta es muy alto.

Insertos desechables tienen la ventaja sobre los reafilables en que el tiempo de cambio es menor.

RECOMENDACIONES GENERALES

RECOMENDACIONES PARA DISEÑO DE PIEZAS MECANIZADAS

Diseñe componentes que no necesiten maquinado

Prefiera procesos de forma neta tales como fundición, forjado en dado cerrado, o moldeo de plásticos.

Si no es posible, minimice la cantidad de mecanizado requerido.

Razones por las cuales es necesario mecanizar:

Ajustes precisos (Tolerancias cerradas)

Buenos acabados superficiales

Características geométricas especiales tales como agujeros precisos, roscas, ranuras.


Las tolerancias debe ser acordes a la función y a las capacidades de fabricación disponibles.

Tolerancias muy cerradas cuestan mucho y puede que no agreguen valor a la pieza.

Si las tolerancias son muy cerradas su costo aumenta por la herramienta, la fijación, inspección, trabajo adicional.

El acabado superficial debe ser especificado para satisfacer la funcionalidad y/o la estética.

Tener en cuenta que mejores acabados superficiales incrementa el costo por procesos adicionales como pulido, o lapeado.


Mecanizado de esquinas, puntos o fordes finos deben evitarse.

Son difíciles de mecanizar o implican procesos adicionales.

Bordes finos internos implican herramientas delgadas que pueden fracturarse fácilmente.

Esquinas y bordes fino tienden a formar rebabas y son peligrosas de manipular.

Las piezas mecanizadas deben diseñarse para que puedan fabricarse de formas estándar comerciales

Piezas cilíndricas que deban tornearse se deben seleccionar de barras de diámetro exterior estándar.


Seleccione materiales con buena Maquinabilidad.

Diseñe piezas mecanizadas que requieran un mínimo de manipulación y preparación.

Evite tamaños de agujeros, roscas fuera de las estándar y características que requieran herramientas estándar.

Diseñe partes que requieran un mínimo de herramientas de corte.

SELECCIÓN DE CONDICIONES DE CORTE

Es una de las tareas mas importantes durante la planeación del proceso.

Para cada operación de mecanizado deben seleccionarse condiciones de corte distintas.

Estas decisiones debe considerar la maquinabilidad, la geometría, las tolerancias, el acabado superficial entre otros.

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