procesos de manufactura avanzada · 2017. 2. 14. · selección del proceso de manufactura adecuado...

Procesos de Manufactura Avanzada

Unidad 1. Introducción a la manufactura

avanzada

1.1 Análisis de operación maquinado.

Definición.

La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (manos) yfactus (hacer); esta combinación de términos significa hacer con las manos;como campo de estudio en el contexto moderno, puede definirse de dosmaneras: tecnológica y económica.

Tecnológicamente es la aplicación de procesos químicos y físicos que alteran la geometría,las propiedades, o el aspecto de un determinado material para elaborar partes o productosterminados. La manufactura se realiza casi siempre como una sucesión de operaciones. Cadauna de ellas lleva al material cada vez más cerca del estado final deseado.

Económicamente, la manufactura es la transformación de materiales en artículos de mayorvalor, a través de una o más operaciones. El punto clave es que la manufactura agrega valor almaterial original, cambiando su forma o propiedades, o al combinarlo con otros materialesque han sido alterados en forma similar. El material original se vuelve más valioso mediantelas operaciones de manufactura que se ejecutan sobre él.

La manufactura es una actividad compleja que comprende una ampliavariedad de recursos y actividades, como las siguientes:

• Diseño del producto.• Maquinaria y herramienta.• Planeación del proceso.• Materiales.• Compra.• Manufactura.

• Control de la producción.• Servicios de soporte.• Mercadeo.• Ventas.• Embarque.• Servicios al cliente.

Es fundamental que las actividades de la manufactura respondan a lasdiversas demandas y tendencias:

1.- Un producto debe satisfacer totalmente los requisitos de diseño,especificaciones y normas.

2.- Un producto debe manufacturarse mediante los métodos máseconómicos y amigables con el medio ambiente.

3.- La calidad debe integrarse al producto en cada etapa, desde eldiseño hasta el ensamblado, en vez de confiar sólo en las pruebas decalidad después de haberlo manufacturado.

4.- En el muy competitivo ambiente actual, los métodos de produccióndeben ser lo suficientemente flexibles para responder a las cambiantesdemandas del mercado, a los tipos de productos y a las capacidades deproducción, a fin de asegurar una entrega oportuna al cliente.

5.- Los continuos desarrollos en materiales, métodos de producción eintegración a las computadoras, tanto de las actividades tecnológicascomo de las administrativas en una organización manufacturera, debenevaluarse constantemente con miras a su implantación apropiada,oportuna y económica.

6.- Las actividades de manufactura deben verse como un gran sistema, cuyaspartes se relacionan entre sí en grados variables. Estos sistemas se puedenmodelar para estudiar el efecto de factores como los cambios en las demandasdel mercado, el diseño del producto, los materiales y los métodos deproducción tanto en la calidad como en el costo de los productos.

7.- El fabricante debe trabajar con el cliente para obtener unaretroalimentación oportuna y conseguir así una mejora continua del producto.

8.- Una organización manufacturera debe luchar constantemente por obtenermayores niveles de productividad, que se define como el uso óptimo de todossus recursos: materiales, máquinas, energía, capital, mano de obra ytecnología. Debe maximizarse la producción por empleado por hora en todaslas fases.

Pasos comprendidos en el diseño yla manufactura de un producto

Ingeniería Concurrente

Todas las disciplinas se involucran en las primeras etapas deldiseño, para que en las iteraciones, que ocurren naturalmente,haya un menor desperdicio de esfuerzos y de tiempo.

Reduce:

(a) Los cambios en el diseño y la ingeniería de un producto.

(b) El tiempo y los costos comprendidos en llevarlo desde sudiseño conceptual hasta su producción e introducción en elmercado.

Un producto bien diseñado es:

• Funcional (diseño).

• Bien manufacturado (producción).

• Bien empacado (para que llegue a salvo al usuario final o al cliente).

• Durable (funciona efectivamente para el propósito destinado).

• Conservable (tiene componentes que se pueden reemplazar oreparar, o a los que se puede dar mantenimiento con facilidad).

• Un recurso eficiente (se puede desensamblar para reciclar loscomponentes).

Selección del proceso de manufactura adecuado

FACTORES DE COSTO. Cuando se analizan diferentes alternativas parafabricar una pieza, o para efectuar un proceso, aparecen factores de costovariables, que se relacionan entre sí en mayor o menor grado y afectan elcosto total de cada pieza, estos son:

• Materiales: El costo de los materiales es un factor importante cuando losprocesos a evaluar incluyen el empleo de diferentes cantidades o formasde materiales alternativos. Además, el rendimiento y las pérdidas pordesperdicios pueden llegar a tener una gran influencia en el costo de losmateriales.


• Mano de obra directa: En general, los costos de la mano de obra directa se determinan por:

- El proceso de manufactura en sí.- La complejidad del diseño de la pieza o el producto.- La productividad de los empleados.- Requisitos de acabado y tolerancias dimensiónales.- Número de operaciones de manufactura para terminar la pieza o producto.


Es importante anotar que cuando aumenta el número de operaciones:

- Crecen los costos indirectos.- Hay más probabilidades de errores dimensionales acumulativos.- Se requiere más preparación de herramientas.- Aumentan los desperdicios y el “retrabajado”.- La programación del taller se vuelve más compleja.


• Mano de obra indirecta: Cuando se evalúa el costo de métodos ydiseños alternativos para producción, es importante la mano de obra parapreparación, inspección, manejo de materiales, afilado y reparación deherramientas y mantenimiento de máquinas y equipos.

• Herramientas especiales: Dispositivos como las matrices, troqueles,moldes, modelos, calibradores y otros, son un factor de costo importantecuando se inicia la manufactura de piezas nuevas o se introducen grandescambios en los productos existentes. Un gran volumen de producciónjustifica fuertes inversiones en herramientas especiales.


• Consumibles (herramientas y suministros de corta duración):Elementos como brocas, buriles, fresas, ruedas de amolar, limas,cuchillas, machuelos, rimas etc. y los suministros como lija de esmeril,solventes, lubricantes, fluidos para limpieza, sales, polvos, trapos paralimpieza, cinta adhesiva, compuestos para pulir, etc.

• Servicios generales: En general, el costo de la energía eléctrica, gas,vapor, refrigeración, calefacción, agua, aire comprimido y otros, seconsidera como parte de los gastos de manufactura, pero esos costos sedeben calcular en forma específica cuando se emplean ampliamentedurante un proceso de manufactura determinado.


• Capital invertido: Cuando se va a iniciar la producción de una nuevapieza o producto, se debe tener en cuenta la disponibilidad de espacio,máquinas, equipo e instalaciones auxiliares junto con la inversión decapital requerida para métodos alternos.

• Otros factores. Los costos de empaque, embarque, servicio ymantenimiento imprevisto, así como tolerancias para “retrabajar” ydesperdicio, en ocasiones deben incluirse en el momento de hacercomparaciones de procesos.

Clasificación de los procesos de manufactura

Los procesos de manufactura pueden dividirse en operaciones deprocesamiento y operaciones de ensamble.

OPERACIONES DE PROCESAMIENTO. Una operación deprocesamiento transforma un material de trabajo de una etapa a otra másavanzada, que lo sitúa cerca del estado final deseado para el producto.

OPERACIONES DE ENSAMBLE. Las operaciones de ensamblepretenden lograr una pieza nueva, en algunos casos de mayor complejidad,como producto de la unión de piezas sencillas. Hay muchas maneras delograr conjuntos, los procesos más importantes son los de soldadura, lasuniones mecánicas y, la utilización de adhesivos.

Clasificación de los procesos de manufactura

Las operaciones de procesamiento las podemos clasificar de la siguiente manera:

• Procesos de fundición.• Procesos de deformación volumétrica.• Procesos de conformado de lámina.• Procesos convencionales de maquinado.• Procesos de maquinado no tradicional.• Metalurgia de polvos.• Procesos de mejora de propiedades.

Fundición de metales

Conjunto de operaciones que permite dar forma a los materiales metálicosmediante su fusión, colado sobre molde apropiado y posteriorsolidificación dentro de él. Los procesos de fundición se pueden clasificarde la siguiente manera:

a) Fundición con arenab) Fundición en molde permanentec) Fundición por centrifugaciónd) Fundición en molde de yesoe) Fundición en molde de cerámicaf) Fundición a presión

Procesos de deformación volumétrica

En los procesos de deformación volumétrica se usa la deformación plásticapara cambiar la forma de las piezas metálicas. La deformación resulta deluso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, elcual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Portanto, el metal se deforma para tomar la forma que determina la geometríadel dado. Se pueden clasificar de la siguiente manera:

a) Estiradob) Forjadoc) Laminadod) Extrusióne) Doblado de tubos y perfiles

Procesos de conformado de lámina

Los procesos de trabajo con láminas metálicas son operaciones de formadoo preformado de láminas de metal, tiras y rollos. La mayoría de losprocesos de trabajo de láminas metálicas se llevan a cabo en prensas; estosprocesos se conocen como operaciones de troquelado.

Troquelado convencional

Troquelado para bajos volúmenes de producción

Troquelado fino

- Punzonado- Doblado- Embutido- Acuñado- Estampado- Repujado

- Cizallado- Recorte en ángulo- Punzonado de extremos- Cizallado rotatorio- Doblado en máquina dobladora- Doblado en prensa de cortina- Punzonado con torreta

- Achaflanado (interno o externo).- Doblado (laterales, lengüetas, salientes, etc.)

Procesos convencionales de maquinado

Habitualmente denominados procesos de mecanizado, se caracterizan por la obtención de lageometría final de la pieza mediante la eliminación del material sobrante de una preforma departida. La eliminación de material se realiza fundamentalmente por medios mecánicos,utilizando herramientas de corte que son más duras y más fuertes que el metal de trabajo. Losprocesos convencionales de maquinado los podemos clasificar así:

• a) Torneado (cilindrado, refrentado, roscado, cajeado o rasurado, taladrado, moleteado)• b) Fresado• c) Procesos para maquinar agujeros (Taladrado, Rimado, Ensanchado)• d) Esmerilado (de superficies planas, cilíndrico)• e) Brochado• f) Cepillado• g) Aserrado• h) Machuelado y tarrajado

Metalurgia de polvos

La metalurgia de polvos es una tecnología de procesamiento de metales enla que se producen piezas a partir de polvos metálicos. En la secuenciausual de producción, los polvos se comprimen para darles la forma deseaday luego se calientan para ocasionar la unión de partículas en una masa duray rígida. La compresión, llamada prensado, se realiza en una máquina tipoprensa cuyas herramientas se diseñan específicamente para la pieza que seva a producir. Las herramientas, que consisten generalmente en un troquely uno o más punzones, pueden ser costosas y es por esto que la PM es másadecuada para niveles medios o altos de producción. El tratamientotérmico, llamado sinterizado, se realiza a una temperatura por debajo delpunto de fusión del metal.

Procesos de mejora de propiedades

Son conocidos como tratamientos térmicos. El proceso consiste en calentarun material buscando un cambio en sus propiedades físicas. Al calentar yenfriar a temperatura ambiente, el material se ablanda o se endurece. Entrelos más comunes se encuentran:

- Recocido- Normalizado- Templado- Cementado- Revenido

Procesos de soldadura por fusión

La soldadura es un procedimiento por medio del cual se logra la uniónpermanente de piezas de metal u otros materiales. La unión resultante debeser tan resistente como el metal base. Hay varios procesos de soldaduracomo se muestra:

- Soldadura con arco eléctrico- Soldadura por arco con metal y gas inerte (MIG)- Soldadura por arco con tungsteno y gas inerte (TIG)- Soldadura por arco con plasma- Soldadura con haz de electrones- Soldadura con rayo láser- Soldadura por resistencia

Pegado con adhesivos

Los pegamentos o adhesivos son compuestos que pueden unir firmementeobjetos entre sí, mediante atracción superficial. Las ligas con adhesivogeneralmente son menos costosas, más fáciles de producir y más resistentesa la fatiga y a la corrosión que los sujetadores mecánicos o las soldaduras.Las ligas se hacen aplicando una película de adhesivo entre las piezas, lascuales se deben inmovilizar hasta que el adhesivo se solidifica; elpegamento se puede aplicar en estado sólido o fundido como líquido puro oen solución. El curado puede demorar desde unos segundos hasta días,pero, se puede acelerar aumentando la temperatura. La facilidad deensamblaje está en relación directa con la técnica empleada para laaplicación y curado del adhesivo.

Ensamble mecánico

Este proceso consiste en unir una o más piezas dentro de otras o sobre otrascon el fin de formar una pieza más compleja o un producto terminado.Generalmente los pasos para ensamble son acarreo, composición,verificación, y ajuste. Los elementos más usados en ensamble mecánicoson sujetadores roscados, remaches y grapas.

Actividad 1

Individualmente elaborar un resumen que describa las operaciones de procesamiento:

• Procesos de fundición.• Procesos de deformación volumétrica.• Procesos de conformado de lámina.• Procesos convencionales de maquinado.• Procesos de maquinado no tradicional.• Metalurgia de polvos.• Procesos de mejora de propiedades.

Preparar exposición. Fecha de entrega de reporte para el día Lunes 30 de enero.

El proceso de dar forma a un producto mediante la eliminación de material escomún a todo producto manufacturado, donde sólo varían las técnicas paraeliminar dicho material. Las operaciones de maquinado se pueden dividir en doscategorías:

- Donde la pieza de trabajo se mueve mientras que la herramienta está fija(típicamente el torneado donde el material gira sobre un eje fijo).

- Donde se tiene un material de trabajo fijo mientras que la herramienta decorte es la que se desplaza (típicamente el fresado donde la herramienta girasobre su eje y se desplaza sobre un material fijo).

1.2 Metodología para la fabricación de una pieza determinada.


Figura 5. a) Proceso de torneado, b) proceso de fresadoa) b)

Una de las metodologías utilizadas por la ingeniería concurrente es eldiseño para manufactura, DFM. El diseño y desarrollo de productosrequiere no solamente el manejo de conceptos básicos de diseño mecánicoconvencional, sino la selección adecuada de materiales y procesos defabricación.

Es fundamental además de trabajar en equipos multidisciplinarios queinvolucren en el proceso de diseño tanto los atributos del cliente como lasvariables de ingeniería.


• Reducir el número total de partes• Desarrollar un diseño modular• Usar materiales y componentes

estandarizados • Diseñar partes multifuncionales • Diseñar para fácil fabricación • Evitar partes separadas• Minimizar las operaciones de

manipulación

Principios del diseño para manufactura

• Utilizar tolerancias amplias • Minimizar el número de

operaciones • Evitar operaciones secundarias. • Rediseñar componentes para

eliminar pasos de proceso. • Minimizar las operaciones que no

añadan valor. Diseñar para el proceso.

Materiales comerciales

Acero Inoxidable (AISI 303, 304, 310, 316, 430) Acetal

Materiales comerciales

Aluminio


Realice mejoras a las piezas que se muestran de acuerdo al diseño para manufactura. ¿Qué procesos de manufactura se usa para su fabricación?


Realice mejoras a las piezas que se muestran de acuerdo al diseño para manufactura.


¿Qué procesos de manufactura se utiliza para su fabricación?

CNC significa Control Numérico Computarizado

El control numérico CNC es una forma de automatización programable enbase a una serie de instrucciones codificadas (Programa).

El CNC es apropiado para volúmenes de producción bajos o medios, dadoque es más fácil escribir nuevos programas que realizar cambios en losequipos de procesado.

1.3 Control numérico y su aplicación en los procesos de manufactura

En una máquina CNC, a diferencia de una máquina convencional o manual,una computadora controla la posición y velocidad de los motores queaccionan los ejes de la máquina.

Las máquinas CNC son capaces de mover la herramienta al mismo tiempoen los tres ejes para ejecutar trayectorias tridimensionales, las que serequieren para el mecanizado complejo de moldes y troqueles.

En una máquina CNC una computadora controla el movimiento de la mesa,el carro y el husillo. Una vez programada la máquina, ésta ejecuta todas lasoperaciones por sí sola, sin necesidad de que el operador esté manejándola.Esto permite aprovechar mejor el tiempo del personal para que sea másproductivo.

• Mayor exigencia en la precisión de los mecanizados• Diseños cada vez mas evolucionados y complejos• Necesidad de reducir errores en la producción para no encarecer el

producto.• Plazos de entrega cada vez más exigentes, lo cual requiere mantener altos

niveles de producción (tiempo de entrega).• El abaratamiento de los sistemas CNC en el mercado, favorece la

adquisición de los mismos.

Factores que favorecen la incorporación del CNC en la Industria

• Mejora de la precisión, así como el aumento de la calidad de los productos.

• Una mejor uniformidad en la producción.• Posibilidad de utilización de varias máquinas simultáneamente por un

solo operario.• Capacidad para realizar piezas con contornos de geometría compleja.• Fácil intercambio de la producción en intervalos cortos.• Reducción de la fatiga del operario.• Aumento de los niveles de seguridad en el puesto de trabajo.• Simular los procesos de mecanización o de corte antes de fabricar la

pieza.

Ventajas de la utilización de Sistemas Control Numérico CNC

• Elevado costo de accesorios y maquinaria (3 a 5 veces mas caro que unamaquina convencional).

• Necesidad de cálculo, programación y preparación de la maquinaria paraun funcionamiento eficiente.

• Elevado costo de mantenimiento, ya que el sistema de control ymantenimiento de los mismos es mas complicado, generando la necesidadde contar con técnicos altamente capacitados.

• Necesidad de mantener grandes volúmenes de pedidos para una mejoramortización del sistema (recuperar la inversión).

Desventajas de la utilización de Sistemas Control Numérico CNC

• Conocimientos en geometría, algebra y trigonometría.

• Conocimiento para la elección y diseño de las diferentes herramientas decorte.

• Conocimiento de los diferentes sistemas de sujeción de las herramientasde corte.

• Uso de instrumentos de medida y conocimientos de metrología.

• Interpretación de planos.

Conocimientos para operar los Sistemas CNC

• Conocimientos de la estructura de la máquina CNC.

• Conocimiento de los diferentes procesos de mecanización, velocidades de corte, velocidades de avance, revoluciones por minuto.

• Conocimientos de la programación CNC.

• Conocimientos del mantenimiento y operación CNC.

• Conocimientos generales de Computadores.

Conocimientos para operar los Sistemas CNC

Máquina Herramienta Convencional

Máquina Herramienta CNC

Un operario, puede manejar una solamáquina

Un operario, puede manejar variasmaquinas

Es necesario consultar constantementeel plano

No es necesario consultar el plano(solamente se consulta cuando serealiza la programación).

Se necesita una amplia experiencia No es necesario una ampliaexperiencia

El operario tiene el controlprofundidad, avance, etc.

El programa tiene todo el control delos parámetros de corte.

Mecanizados imposibles de realizar Posibilidad de realizar prácticamentecualquier mecanizado

FAGOR SIEMENS

FANUC HEINDENHAIN

Tipos de Controladores

• Mecanismos de Posicionamiento.• Accionadores: Motores, Válvulas etc.• Sistemas de Control.

• Sistemas de Medidas. • Sensores : Inducción, Fotoeléctricos, Ópticos.

• Diseño de Máquinas.• Precisión y repetitividad.• Refrigeración (Aire o Aceite) y eliminación de virutas.

Sistemas de cambio de herramientas (Optativo, Automático o Manual).• Torreta giratoria.• Almacén de herramientas.

Máquina CNC.

Movimiento de una Maquina CNC• Motores paso a paso (muy utilizados, bajo costo, poco torque para trabajo

pesado, mas precisión.• Servomotores o motores encode o con sensor (alto costo, mas torque para

procesos de trabajo.• Motores lineales (desplazamientos lineales de ejes).

Periféricos de Entrada• Teclado y Panel de Mandos.• Conexión con el Computador

(Ethernet).• Reglas ópticas o posicionadores.• Ratón o Mouse en equipos mas

modernos.

Unidades de Almacenamiento de datos

• La información se guarda en el computador y se transfiere a la máquina mediante la conexión RS232 o Ethernet.

• En el disco duro del propio control en maquinas CNC mas modernos (hay que considerar que la memoria que dispone el Control no tiene tanta capacidad).

• Servidor de Red que este conectado a una serie de maquinas CNC.• Dispositivo portátil USB (Pendrive).

Periféricos de Salida

• Monitor o Pantalla. • Comunicaciones RS232. • Conexión con Intranet.• Control de Movimiento de los ejes y demás elementos móviles de la máquina.

Función del Monitor

• Visualizar la información que se suministra desde el teclado.• Controlar las comunicaciones entre otros sistemas informáticos.• Informarnos de todos los sistemas que la máquina tenga activados (falta

de aire, aceite refrigerante).• Informarnos de las diferentes condiciones tecnológicas que se estén

usando, RPM, velocidad de corte, velocidad de avance, tipo deherramienta.

• Realizar la simulación de mecanizado por pantalla (computador omaquina).

• Indicar los posibles errores que se detecten en el sistema.• Etc.

Control de ejes y accesorios de máquina (PLC)

Sistemas de Torretas Portaherramientas

Carrusel de herramientas16 herramientas aprox.

Cadena de herramientas 50 herramientas aprox.

Tambor de herramientas 10 herramientas aprox.

Creación de Programas

• Programación Manual a Pie de Máquina.

• Programación en Computador.

• Programación mediante sistema CAM

Software CAD/CAM

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