Capitulo 1Introducci6n a 10s sistemasmodernos de manufactura

La manufactura es el proceso para transformar la materia prima en productos titilesmediante el empleo de las maquinas-herramienta por parte del hombre.

En sus origenes, la manufactura se llevaba a cabo con simples herramientas demana (de ahi el termino manufactura en su origen); pero con la acumulacion gradualde conocimientos, el hombre ha desarrollado herramientas, maquinas, materiales ytecnicas que en la actualidad Ie permiten fabricar art1culos 0 productos a granvelocidad, alta precision y a gran escala, dando como resultado el desarrollo de lossistemas modernos de manufactura.

En 10s inicios de la manufactura, la calidad de 10s productos dependia en gradosumo de la habilidad del operario, 10cual implicaba serias limitaciones para producirproductos de calidad, baratos y en grandes voltimenes. El desarrollo de 1asmaquinasy de la tecnica hicieron posible el empleo de personas con poca habilidad, el aumentode 10s v01timenes de produccion y la reduccion de los costos de fabricacion y elmejoramiento de la calidad de los productos. Con ello se eliminan, la fatiga y loserrores humanos. .

La automatizacion de los procesos de manufactura ha dado lugar a avances sinprecedente en el campo industrial. Ello ha sido posible gracias al desarrollo de lasnuevas tecnologias, tales como la mecanica, la electronica, la computacion, la cienciade los materiales , y sobre todo, el control y regulacion de sistemas y procesos.

La incorporation de la computadora ha dado lugar a la automatizacion integralde 10s procesos de manufactura. Asimismo la aparicion de la microelectronica y delos microprocesadores, han hecho posible el desarrollo de tecnicas de controlcomplejas, la robotizacion y los sistemas de mailUfactura integrados por compu-tadora. Laaplicacion de estas tecnologias reducen los costos de fabricacion, aumentanla productividad, mejoran la calidad y la precision de los productos.

I)esck la al11igtiedad el hombre se ha sentido fascinaclo por la~maquinas que imitanlos movimientos, las funciones 0 los actos de 10s seres vivos. La realizacion demecanismos animados a traves de dispositivos hidriulicos, neumaticos 0 mediantepoleas, palancas, tornillos, engranajes, levas y resortes, han sido constantementeutilizados desde la antigtiedad para este fin. Dedalo, por ejemplo, construyo estatuasque se movian solas. Arquimedes (287-212 a. de].e.) descubrio su famoso principioe invento la leva, el resorte y el tornillo sin fin. Pero fue hasta mucho mas tarde,cuando el perfeccionamiento de la mecanica permitio construir automatas complejos.Dichas construcciones se dieron en los siguientes campos:

1.- Religioso e historico: construccion de monumentos.2.- Astronomia: construccion de modelos.3.- Entretenimiento: fabricacion de dispositivos.4.- Decoracion: fabricacion de adornos.5.- El hombre: construccion de androides mecanicos.

El primer automata digno de mencion fue el galla de la catedral de Estrasburgo(construida en 1354) que aparece al dar la hora, batiendo las alas y cantando.

En el renacimiento, los progresos tecnologicos fueron de importancia, por ejem-plo, Leonardo construyo un leon animado.

En el siglo XVIII, el frances Vaucanson construyo una serie de automatas desti-nados a la corte 0 para servir de atraccion en las ferias. De este modo el desarrollode la mecanica de precision en este siglo, hace posible la epoca de oro de losautomatas. En 1738 Vaucanson expuso en Paris una serie de automatas entre los quedestacaba un pato que segun la propaganda bebia, cornia digiriendo y evacuando elalimento; ademas, chapoteaba sobre el agua y graznaba (vease Figura 1.1).

El primer intento para controlar la manufactura, mediante un sistema de control,fue desarrollado por Joseph Jacquard en el ano de 1801; joven inventor que vivia enParis, plane a una maquina de tejer (que se Ie conoce como el telar de Jacquard) queutilizaba una banda de cartulina perforada, mediante la cual controlaba el diseno dela fabricacion. Mediante el mejoramiento de la banda y de las perforaciones (querepresentaban el codigo) era posible tejer automaticamente, varios disenos florales(vease Figura 1.2).

De esta manera se dio comienzo a la mecanizacion y automatizacion de losprocesos industriales. Habia terminado la era de entretener a las cortes; en cambiose habia descubierto la importancia de la automatizacion de las fabricas, es decir, laproduccion sin la intervencion del hombre.

La automatizacion de los procesos industriales comenzo con la necesidad dedefinir la secuencia de operaciones para hacerlas repetitivas. El primer metodo fuela programacion mediante levas. Se crearon varios dispositivos para determinar lasecuencia de operaciones de una manera programada. El control del programa

mediante dispositivos mecanicos es limitado, por 10 que a finales del sigl0 XIX, semodificaron por otros, basados en sistemas electricos, hidriulicos 0 neumaticos.

En 10s procesos industriales se requiere calidad, precisi6n y uniformidad de 10sproductos. Para cumplir con estos requisitos fue necesario desarrollar sistemas decontrol que permitieran tomar medid as de las variables criticas y modificar el procesoa fin de alcanzar los valores prefijados. Esto se hizo posible con el desarrollo de unsistema de retroalimentaci6n, que hoy en dia representa la clave para lograr laprecisi6n y la calidad.

Con el advenimiento de la automatizaci6n nacen las maquinas transfer para laproducci6n de grandes series de un tipo de piezas particulares. El nombre deriva del

IJccho que d bloque de metal forjado 0 fundido que dcbe ser trabajado oportuna-mente, se coloca en la maquina con un posicionamiento inicial (primera estacion) yas! sllccsivamente es transferido automiticamcnte de una estaci6n a otra, en cada unade las cuales se completa un particular tipo de operaciones tales como: fresado,barrenado, mandrilado, roscado, etc.

La necesidad de maquinas fLexiblesy versatiles para la fabricacion de pequenoslotes de piezas diversas, series medianas, prototipos y piezas {micas, demandaronmaquinas de alta precision que desvinculara al hombre de la maquina; misma que sedeja al operador solamente para supervisaria. Ell0 ha determinado el empleo de lasmaquinas-herramienta con control numerico, que en sus inicios se utilizaron pararesolver problemas de manu factura muy complicados como son los perfiles utilizadosen la industria aeronautica.

Es asi como aparecen las maquinas-herramienta de control numerico; y se lesllama asi porque las informaciones proporcionadas ala maquina (posicionamientode la mesa, desplazamientos de la misma, velocidad de rotacion, avance de laherramienta, tipo de herramienta, ete.) se recaban del dibujo de la pieza y del cicIode fabricacion de la pieza, y memorizadas en forma numerica se codifican en la cintaperforada 0 en cinta magnetica. Aesta fase, se Ie considera como fase de programacionque produce como resultado final la cinta perforada. Esta cinta sustituye al dibujo,que introducida en la unidad de gobierno de la maquina es leida en forma automaticae interpretada y transformada en senales que, amplificadas, accionan 10s servomeca-nismos de la maquina determinando 10s movimientos de traslacion y de rotacionnecesarios para el funcionamiento y el movimiento relativo herramienta-pieza.

En el ano de 1947 un pequeno constructor americano de helices para helicoptero,John Parson, concibio una maquina comandada automaticamente con informacionesnumericas.

El desarrollo subsecuente era el de reducir las operaciones de control de la helice;operaciones que eran muy largas y costosas.

La maquina era una trazadora cuya mesa era comandada mediante una hojaperforada sobre la cual se indicaban las coordenadas de 10s puntos.

Fue hasta el ano siguiente, cuando la USAF (United State Air Force) se intereso pOl'los estudios y experimentaciones de John Parson. El gobierno americano decidi6financial' el proyecto y la construccion de una Fresadora comandada sobre tres ejes.Parson y el M.LT. (Massachussetts Institute of Technology) se asociaron para concre-tar esta investigaci6n.

Cinco anos mas tarde (1953) el MIT procedio ala. demostracion de una Fresadorapara contorneados en tres ejes con resultados muy satisfactorios. El sistema decomando desarrollado se Ie denomin6 Control Nurnerico.

En 1955 se mostraron las primeras maquinas-herramienta de control numericoen la exposici6n de Chicago.

En 1956 la USAF distribuy6 una orden de 170 maquinas-herramienta de controlnumerico a varios fabricantes americanos para su desarrollo.

En 1960 se presentaron en Chicago mas de 100 maquinas de control numerico,haciendo su aparicion los Centros de Maquinado de Control Numerico (CM/CN).

En J 964 la demanda de m{tquinas-herramienta de Control Numerico (MH/CN) eragrande y hacia fines de aquel ano el mercado mundial de las mismas aumentaba a')KOO unidades.

En diciembre de ] 979 se ha estimado la distribuci6n de MII/CN en 120,000unidades. Asfsigui6 creciendo la demanda de MH/CN de modo que el empleo de estasmaquinas dio por terminado el cicio hist6rico de las maquinas-herramienta conven-cionales.

Con la aparici6n de la computadora y del avance de las teodas modernas de control,los procesos industriales dieron un gran salto hacia adelante. La computadora dio unimpulso decisivo en la gesti6n de producci6n, en el diseno de nuevas piezas y en elcontrol de los procesos.

La gesti6n de producci6n por computadora vino a facilitar el manejo de informa-ci6n de existencias y de 105productas manufacturados asi como de las operacionesa realizar de 10s productos que se van a manufacturar.

El diseno de nuevas piezas por computadora ha revolucionado la industria delautam6vil, de los electrodomesticos y de otros al reducirse dristicamente el tiempode creaci6n de una pieza asi como su conexi6n alas maquinas que la fabrican.

El control de procesos por computadora ha hecho posible mejorar notablementela calidad, la seguridad y la reducci6n de costas en energia, producci6n y man-tenimiento.

La incorporaci6n de 105robots en la industria ha provocado cambios en la organi-zaci6n de 105procesos de producci6n. Ahora el enfoque organizacional esta orientadohacia procesos con dispositivos versatiles y reprogramables, y no a procesos arealizarse mediante seres humanos. Los robots pueden realizar tareas diversas y notareas espedficas como muchas de las maquinas de los procesos industriales conven-cionales. S6lo es necesario reprogramar el robot para que este realice otras tareas.

En los anos sesenta, no s6lo se desarrollan los procesos industriales, sino queaparcci6 una nueva era de aplicaciones. Apareci6 el diseno de piezas por compu-tadora que consisti6 en la descripci6n detallada de una pieza. Los primeros estudiosdatan de esa epoca, en la que ingenieros de la compania General Motors Corporation(USA) desarrollaron un sistema de diseno asistido por computadora ayudados porespccialistas de IBM. El sistema constaba de un tablero en donde un ingeniero de

proycctos utilizaba una pluma sensible ala luz para su activaci6n. La computadoracstaba preparada para que a partir de los trazos aproximados del diseilador recons-Iruycra la pieza. A estc sistema se Ie conoce hasta hoy como DiseflO Asistido porComputadora (cAD-Computer AieledDesign).

Mas tarde se incorpor6 al CADla posibilidad de la integraci6n en la fabrica,asistiendo al disefiador para obtener el programa de maquinado de las maquinas-he-rramienta que intervienen en la fabricaci6n de las partes a manufacturar, asi como lamanipulaci6n de las mismas, ya sea por dispositivos especiales 0 mediante robots. Aeste segundo sistema se Ie denomina Manufactl..iraAsistida por Computadora (CAM-Computer Aided Manufacturing).

Los sistemas CAD,CAMY los Robots, son actualmente sistemas de automatizaci6navanzados, en los que las computadoras son parte esencial de su control. Lascomputadoras, por consiguiente, como parte decisiva de la manufactura automati-zada, controlan sistemas de manufactura aut6nomos, tales como maquinas-herra-mienta, soldadoras, cortadoras laser, robots industriales y maquinas de ensamble;asimismo, controlan line as de producci6n. La tendencia de estos sistemas es laintegraci6n para el control total de la fabrica en todas sus funciones, eliminandopapeleo y la intervenci6n humana en los procesos de producci6n; desde el disefio,pasando por la planificaci6n de la producci6n, hasta las pruebas para asegurar lacalidad de los productos. A estos sistemas se les conoce como "Sistemas de Manufac-tura Integrados por Computadora" (CIM-Computer Integrated Manufacturing), ter-mino que describe la completa automatizaci6n de la fabrica. Mediante la tecnologiade los sistemas CIM,se logra la integraci6n de las operaciones de manufactura (tanfragmentadas en los sistemas convencionales de producci6n) y la simplificaci6n dela misma. Los esfuerzos de integraci6n se han venido realizando principalmente enlos siguientes sistemas:

Disefio asistido por computadoraManufactura asistida por computadoraPlaneaci6n del proceso por computadoraIngenieria asistida por computadoraInspecci6n asistida por computadoraControl y aseguramiento de la calidadTecnologia de gruposSistemas de administraci6n y base de datosOtros.

CADCAMCAPP

CAE

CM

CAQ

GTDBMS

La integraci6n de estos sistemas ha hecho posible controlar sistemas muy com-plejos de producci6n. Asimismo, han hecho posible mas altas prestaciones en cuantoa caUdad, precisi6n, flexibilidad, eficiencia, economia y competitividad.

LamanufacLura siempre ha sido, yes en la actualidad, un arte en pleno desarrollo ycambio. Los procesos en las ultimas decadas han cambiado a pasos agigantados; sinembargo, 10s principios fundamemales de manufactura son 10s mismos, de ahi 1aimportancia de que consideremos 10s procesos de manufactura convencionales demayor utilizacion en el ambito industrial.

Desde el punto de vista de la forma de producir las partes, 10s procesos de manufac-tura se clasifican de la siguiente manera:

Procesos de conformado Procesos de fundicion Procesos de formado Procesos de maquinado Procesos de ens amble Procesos de soldadura Procesos de union mecanica Procesos de union con adhesivos Procesos de acabado Procesos de limpieza Procesos de revestimiento Procesos diversos Procesos de tratamiento termico Procesos de control de calidad Otros

Fundici6n. Es un procedimiento basado en la fusion de 10smetales y sus aleaciones.Consiste en la preparacion de un molde con arena, metal u otros materiales, quereproducen la forma de la pieza a fundir, y en el cual se vierte el metal 0 aleacionmetalica fundida, dejandola enfriar hasta su plena solidificacion.

Forjado. Es un procedimiento de c'onformacion por deformacion plastica, en elque ademas de 10s esfuerzos exteriores, se emplea energia termica. Se trata de unprocedimiento de trabajo en caliente. La accion combinada de energia mecanica ycalorifica, provocan cambios muy acusados de seccion, creando una macroestructuracristalina fibrosa. La forja puede ser libre 0 con estampa. La primera no imponeninguna forma espedfica a la herramienta de forja; la segunda, requiere la construc-ci(m de una estampa que reproduzca la forma y dimensiones de la pieza a forjar.

Es(ampado en caliente. Consiste en imprimir en caliente en UI1molde 0 estampaIa contllrmaci6n de l 11:1 pieza. No es mas que un forjado mecinico ell el que la acci6nde una fuerza exterior (producida por la masa del martincte) imprimc una determi-nada forma en un dememo denominado estampa. Este procedimicmo se empleapara piezas regulares, las cuales, aun pudiendo obtenerse por torneado, debenpresentar caracteristicas de elevada resistencia mecanica.

Estampado en frio. Consiste en obtener de una chapa piezas de forma definida.El estampado en frio se clasifica en tres ramas priIi.cipales: corte, doblado y embutido.

Embutido estirado. Es un procedimiento de conformaci6n por deformaci6nplastica, que consiste en hacer pasar el material de aportaci6n a traves de una matrizde forma determinada.

Doblado. Es una operaci6n que consiste en transformar una chapa plana en otrade perfil diverso sin cambiar el espesor. Este procedimiento se lleva a cabo con laayuda de un dado y un punz6n para doblado.

Punzonado. Es el procedimiento para cortar chapa por medio de un troquelcompuesto esencialmente por una matriz y un punz6n para corte. Con este pro-cedimiento se pueden efectuar perforaciones en la lamina de formas diversas.

Estirado. Es un procedimiento que se lleva a cabo obligando al material a doblarsea 10 largo de un eje.

Laminaci6n. Es un procedimiento que consiste en modificar una masa metilicahaciendo pasar entre rodillos sobrepuestos que giran en sentido inverso a fin deobtener una chapa 0 una barra segun la forma de los rodillos de laminaci6n. Lasbarraspueden ser de secci6n circular, cuadrada, rectangular, hexagonal, especial, etc.

Trefilado. Este procedimiento de conformaci6n se lleva a cabo por deformaci6nplistica y consiste en hacer pasar el material de aportaci6n por una matriz 0 hilerade forma determinada, a fin de reducir susecci6n transversal, alargandola y calibdn-dola segun una medida mas precisa y dejando una superficie lisa.

Extrucci6n. Es la operaci6n en la cual una masa de material ductil fluye a travesde un orificio por medio de un impacto 0 una fuerte compresi6n ocasionada por unembolo 0 punz6n, para formar una pieza de secci6n constante. Por este pro-cedimiento se obtienen perfiles 0 tubos de secciones perfectamente uniformes y deexcelente acabado. La extrucci6n puede realizarse en caliente 0 en frio.

Rechazado. Es un procedimiento que se lleva a cabo en una maquina-herramientatorno, en el que la lamina metalica se hace rotar y desplazandola en varios pasos hasta

conformarla a la configuracion del mandril. La presion puede aplicarse con un rodillo(herramienta de rechazar) contra la pieza en rotacion.

La Figura 1.3 ilustra algunos de los procedimientos de manufactura sin arranquede viruta mencionados anteriormente.

Figura 1.3. Procesos basicos de manufactura sin arranque de viruta

t\ HERRAMIENT A DE\JRECHAZAR

~~P~'O 2rEPEAFORAC,ON

Torneado. Es la operacion que consiste en perfilar un solido de revolucion medianteel empleo de la maquina-herramienta denominada "torno" y mediante el ac-cionamiento de una herramienta monocortante. El movimiento principal 10 tiene lapieza en rotacion; el movimiento de alimentacion (avance) 10 tiene 1aherramienta.Otras operaciones de torneado son: careado, roscado exterior e interior, tronzado,ete.

Taladrado. Es la operacion que consiste en practical' un agujero cilindrico en uncuerpo metalico 0 en cualquier otro material no metalico.Esta operacion se efectuapOl' medio de una herramienta Hamada broca. E1movimiento principal de rotacion yel de alimentacion es efectuado porIa herramienta que gira a1rededor de su propioeje y avanza practicando el agujero en la pieza. Otras operaciones de taladrado son:centrado, roscado con machue10, careado, aveHanado, mandrilado, escariado, etc.

Mandrilado. Es la operaci6n que consiste en agrandar un agujero cilindrico conuna herramienta mono cortante montada sobre una barra, que se introduce en elagujcro previamente realizado con otra herramienta (broca u otra balTa de man-drilado de medida previa) Esta operaci6n, ademas de agrandar el agujero, permiteobtcner precisi6n y buen acabado superficial en el agujero practicado. El movimientoprincipal 10 asume el mandril porta-herramienta (que gira alrededor de su eje),mientras que el movimiento de avance 10 tiene la pieza. El mandrilado puedeefectuarse en el torno, en el taladro 0 en una nraquina Hamada mandrinadora.

Cepillado. Es la operaci6n que consiste en arrancar vimta horizontalmente paraobtener una superficie plana 0 perfilada en un cuerpo. Aesta operaci6n se Ie conocecomo limado cuando las piezas a trabajar son de dimensiones medias. Se Ie llamacepiHado cuando las piezas a trabajar son de grandes dimensiones.

En el limado el movimiento principal (alternativo de ida y vuelta) 10 asume laherramienta, mientras que el movimiento secundario de alimentaci6n (avance) 10asume la pieza.

En el cepillado 0 planeado, el movimiento principal 10 asume la pieza, mientrasque el movimiento secundario de alimentaci6n 10 asume la herramienta.

Fresado. Consiste en arrancar la vimta mediante herramientas circulares multi-cortantes (varios filos de corte) denominadas fresas. Mediante esta operaci6n puedengenerarse superficies planas, ranuras, perfiles de formas diversas, etcetera. El movi-miento principal es sumido poria herramienta que gira sobre su propio eje. Elmovimiento secundario es asumido poria pieza, la cual estando sujeta en la mesa dela maquina, pasa tangencial 0 frontalmente delante de la fresa que gira, arrancandoasi el material de la superficie expuesta. Las maquinas que realizan esta operaci6n seHaman fresadoras, las cuales pueden ser verticales, horizontales 0 universales.

Rectificado. Es una operaci6n con la cual, utilizando una meda abrasiva adecuada,se Ie da el acabado a piezas mecanicas generalmente ya trabajadas en otras maquinasy endurecidas pOl' temple 0 cementaci6n. El movimiento principal es asumido poriameda abrasiva que gira sobre su propio eje. El movimiento de alimentaci6n esasumido poria mesa de la maquina, la cual se encarga de acercar la pieza hacia lameda abrasiva en desplazamientos muy pequeiios. La mesa realiza tambien unmovimiento alternativo horizontal y transversal, cuyas velocidades se ajustan manual-mente. Las maquinas que realizan esta operaci6n se Haman rectificadoras y puedenser del tipo de superficies planas 0 cilindricas.

Brochado. Consiste en pasar forzadamerite una herramienta Hamada brocha enun agujero cilindrico 0 sobre una superficie exterior con el objeto de modificargradualmente el perfil mediante arranque de viruta. E1movimiento de alimentaci6nno existe, 10 que hace efectivo el corte es el incremento gradual en la medida de losdientes.

Ascrrado. Es la operaci6n que consiste en eliminar metal por la acci6n de unsinnumero de dientes pequel10s, que acttlan en linea angosta, eliminando solamenteLIllapcquefla parte del material a cortaro

La Figura 1.4, ilustra algunos de los procesos de maquinado por arranque de vimtaque se mencionaron anteriormente.

Figura 1.4. Procesos bisicos de manufactura con arranque de viruta

~

'ERRAMiENTA DECORTE

. fj~ '--------- ~~~

~AJO

HERRAMIENTA DE CORTEDUllLFILO

~

~~.M""~'''''''~CORTE DE UN FILO

Otros procesos basicos de manufactura, de amplia utilizaci6n y que describiremosen forma muy general, son los siguientes:.

Procesos de maquinado especiales. Estos procesos se emplean para eliminar yconformar metales duros que no pueden trabajarse facilmente. Estos maquinados sellevan a cabo por metodos electricos y quimicos. En los electricos se incluye:maquinado por electroerosi6n, maquinado electroquimico y el esmerilado elec-troLitico. En los quimicos, que eliminan el material disolviendolo, incluyen: maqui-nado fotomordentado y el fresado por via quimica.

Procesos de ensamble. Consisten en la union de dos 0 mas partes para formar unconjulltoo subconjunto cornpleto. La union se puede llcvar a cabo por soldadura,union mecanica 0 por adhesivos.

Procesos de acabado. Mediante estos procesos, se limpian, protegen y decoranlas superficies de las partes 0 productos terminados. La limpieza climina mugre,aceitcs, grasas, incrustaciones, costras y herrumbres con el fin de preparar lassuperficies para tratamientos adicionales, tales como, proteccion contra el deterioroy decoracion para aumentar el atractivo estetico.

Pr()cesos de ensamble. CC)fisistenen la union de dos 0 mas panes para formar unconjunw'o subconjunto completo. La union se puede llcvar a cabo por solcladura,union mecanica 0 por adhesivos.

Procesos de acabado. Mediante estos procesos, se limpian, protegen y decoranlas superficies de las partes 0 productos terminados. La limpieza climina mugre,aceitcs, grasas, incrustaciones, costras y herrumbres con el fin de preparar lassuperficies para tratamientos adicionales, tales como, proteccion contra el deterioroy decoracion para aumentar el atractivo estetico.