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EstudiosGerenciales,No.94EneMar2005
ECONOMAENELMAQUINADOPARALAINDUSTRIAMETALMECNICA
JOHNJAIROCORONADOMARN
IngenieroMecnico,MagsterenCienciasenIngenieraMecnica,ProfesordelaUniversidaddelValle.EscueladeIngenieraMecnica,CatedrticodelaUniversidadICESI.Departamentode
CienciayTecnologa.johncoro@petecuy.univalle.edu.cojohnjairocoronado@yahoo.com
Fechaderecepcin:200403Fechadeaceptacin:200410
ABSTRACT
Thisarticlepresentsastudyoftheeconomyinthemachiningprocess,for:minimumcostcriterionandmaximumproductionrate.Threetypicalmaterialsinthecuttingtoolswereanalyzed:highspeedsteel,cementedcarbideandceramic.Theceramictoolpresentedminorcostperunitandminordurationofthecycle,thatthecementedcarbideandthatthehighspeedsteel.Thedisposableinsertspresentedminortimepercycleandcostperunitthattheregrindabletooling.
KEYWORDS
Machiningprocess,cuttingtool,highspeedsteel,cementedcarbide,ceramic,disposableinsert,regrindabletooling.
Rating:A
RESUMEN
Esteartculopresentaunestudiosobrelaeconomaenelprocesodemaquinadoparaminimizarloscostosporunidadymaximizarlavelocidaddeproduccin.Seanalizarontresmaterialestpicosenlasherramientasdecorte:acerodealtavelocidad,carburocementadoycermico.Seencontrquelasherramientasdematerialcermicoposeenmenorcostoporunidadymenorduracindelcicloquelasherramientasdecarburocementadoyquelasherramientasdeacerorpido.Lasherramientasdesechablespresentaronmenortiempoporcicloymenorcostoporpiezaquelasherramientasreafilables.
PALABRASCLAVE
Procesodemaquinado,herramientadecorte,acerodealtavelocidad,carburocementado,cermico,herramientadesechable,herramientareafilable.
Clasificacin:A
INTRODUCCINLosprocesosdemanufacturasonlacombinacindepersonal,materiaprima,herramientasymquinasparalaobtencindeunproductofinal.Unodelosprocesosdemanufacturamsusadosenlaproduccindepiezasmetlicaseselcortecondesprendimientodematerial,conocidocomomaquinadoomecanizado.Esdecir,unaherramientaconfiloscortantesfabricadadeunmaterialresistentealdesgasteyalasaltastemperaturas,penetralasuperficiedeunapiezacondesprendimientodematerialenformadeviruta,hastaobtenerelproductofinal.Losparmetrosfundamentalesenunprocesodecorteson:velocidaddecorte,avancey
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profundidad.Lavelocidaddecorte(Vc)eselcaminorecorridoporelfilodelaherramientaporunidaddetiempo.DondeDeseldimetrodelapiezayneslavelocidadderotacin.
Actualmentelasmquinasherramientasusadasenlosprocesosdemecanizadovienenaltamenteautomatizadas,reduciendolasnecesidadesdemanodeobraparaciertosprocesosproductivos.Estasmquinassepuedenprogramarusandoelcontrolnumricocomputarizado(CNC),dichosprogramascontienenlainformacintecnolgicasobreelprocesodemecanizado.Tambinsepuedenprogramarusandolaayudadeldiseoasistidoporcomputador(CAD),dondesediseanlaspartesamecanizar.Posteriormentepasanaunprogramademanufacturaasistidaporcomputador(CAM)dondeserealizalasimulacindelprocesodecorte,selecseleccionandolasherramientas,materialesyparmetrosdecorte.LosprogramasCAD/CAMayudanarealizarprogramasCNCcomplejos.
Laindustriametalmecnicaestadquiriendomquinasherramientasdeltimatecnologa,peromuchasdestasnosonaprovechadasalmximoporlasempresas,debidoaquelasvelocidadesnoseoptimizanylosmaterialesdelasherramientasdecortenosiempresonlosmsadecuados.Lasherramientasdecortedebencumplircontrespropiedadesimportantes:tenacidad,durezaencalienteyresistenciaaldesgaste.UnmaterialparaherramientaampliamenteusadodesdeprncipiosdelsigloXXeselacerodealtavelocidadoacerorpido(HSS),sehaseguidousandodebidoaquesehanhechomejorasenlosingredientesdealeacinyporsubajocosto.Lasherramientasdeacerodealtavelocidadsonreafilables,yaquetodoelvstagoesdelmismomaterial.Actualmenteexistennuevosmaterialesparaherramientasconmejorespropiedadesmecnicas,comosonloscarburoscementadosyloscermicos.Estosmaterialessondesechablesysefijanmecnicamenteenunportaherramientas.LavidadelaherramientaesunfactorimportanteparalareduccindeloscostosdemecanizadoysepuedecalcularconbaseenlaecuacindeTaylor:
DondeTeslavidadelaherramienta,nyCsonparmetrosquedependendelavance,laprofundidaddecorteyespecialmentedelmaterialdelaherramienta.
OPTIMIZACINDELPROCESODEMANUFACTURAElvolumendeproduccinyloscostossedebenconsiderarenlosprocesosdeproduccindepiezas.Enlaindustriasedebeoptimizarelprocesomaximizandolaproduccinyminimizandoloscostos.Paralogrardichoobjetivoesnecesarioconsiderartodosloscostosyeltiemporequeridoparamaquinarunadeterminadapieza.
Eltiempodelciclodeproduccindeunapieza(maximizacindelciclodeproduccin)dependededosfactores:1)elacabadoylaexactituddimensionaldelasuperficiey2)delacantidaddematerialporremover.Eltiempodelciclodeproduccindeunapieza(Tp)sepuedecalcularporlasiguienteexpresin:
Td=tiempoparamontarydesmontarlapiezaenlamquinaherramienta.
Tm=tiempoquelaherramientautilizaparamaquinarduranteunciclo.
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Tc=tiempodecambiodelaherramientacuandosedesgasta.
Np=cantidaddepiezasquesemaquinanconunfilocortante.
Alaumentarlavelocidaddecorte,disminuyeeltiempodecorte,peroaumentaeltiempodecambiodelaherramienta,mientrasqueeltiempoparamontarydesmontarlapiezapermanececonstante.Eltiempodemaquinadoparaunaoperacindetorneadosepuedecalcularmediantelasiguienteexpresin:
DondeLeslalongituddelapiezadetrabajo.Lacantidaddepiezasquesemaquinansepuedecalcularcomo:Np=T/Tm.Portanto,reemplazandoenlaecuacin(3)tenemoslasiguienteexpresin:
Lavelocidaddecorteparamximavelocidaddeproduccinsepuedeobtenerhaciendoladerivadadelaecuacin(5)conrespectoalavelocidaddecorteigualacero:Tc/Vc=O.
Lavidadelaherramientaparamximavelocidaddeproduccinquedadelasiguientemanera:
Paraminimizarelcostoporunidadsedebenconsiderardosfactores:1)lavidadelaherramientadecorte,adems2)lasfuerzasypotencia.Laeconomasepuedeconseguircuandoelacabadoylaexactitudnecesariosselogranalmnimocostoporunidad.Lasherramientasdesechables,insertosoplaquitasintercambiables,sepuedenrotarparausarotrofilodecorte,cuandosedesgastan.Normalmenteexistenseisuochofilosporinserto,dependiendodesuforma.Elcostodelaherramientasepuedecalcularcomo:
DondeCfeselcostoporfilocortante,PfeselpreciodecadainsertoyNeeslacantidaddefiloscortantesporinserto.Paraherramientasreafilablescomolasdeacerorpidoodecarburo
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soldado,sedebeconsiderarelcostodelreafilado.
DondeCfeselcostoporvidadelaherramienta,Pfeselpreciodelaherramientadevstagoslidoocarburosoldado,Ngnmerodevecesquesepuedereafilarlaherramienta,TgeseltiempoquetardaenafilarlaherramientayCgeslatasadeafilaafilado.Elcostototalporunidaddeproducto(Cp)queda:
DondeCoeslatasadecostoparaeloperarioylamquina,CoTdeselcostodemontarydesmontarlapieza,CoTmeselcostodeltiempodemaquinado,CoTt/NpeselcostodeltiempodelcambiodelaherramientayCf/Npeselcostodelaherramientaporunidaddelproducto.Alaumentarlavelocidaddecortedisminuyeelcostodeltiempodemaquinado,peroaumentaelcostodelaherramientayelcostodeltiempodecambiodelaherramientaypermanececonstanteelcostodemontarydesmontarlapieza.EnlaFigura1semuestracmovaraelcostodeproduccinparadiferentesvelocidadesdecorte.
Expresandolaecuacin10entrminosdelavelocidaddecorte,seobtiene.
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Enladerivadadelaecuacin11conrespectoaVcsepuedehallarlavelocidaddecorteparaelcostomnimoporpieza.
Lavidadelaherramientaparaelcostomnimoporpiezasepuedecalcularcomo:
RESULTADOSMuchasindustriasmetalmecnicasprefierenusarlasherramientasreafilablesdeacerorpidodebidoasubajocostoyreutilizacin,peronotienenencuentaotrosfactoresdeterminantesenlaeconomadelmaquinado.Acontinuacinsecomparanlostresmaterialesparaherramientasenlasmismascondiciones:operacintorneadodeacabado,eltiempodemontarydesmontarlapiezadetrabajoesde2min,elavance2.54mm/revylaprofundidad0.0127mm.Lasdimensionesdelapiezaenbrutofueron:dimetro57.15mmylongitud292.1mm.EnlaTabla1semuestranlosparmetrosC,n,eltiempodecambiodelaherramientayelpreciodecadamaterialparaherramienta.
EnlaTabla2semuestranlosresultadosparamaximizarlavelocidaddeproduccin,paralaherramientacermicalavelocidaddecorteesdiezvecesmayorqueparaelcarburocementadoyochentavecesmayorqueelacerorpido.Lavidadelaherramientaesmayorparaelacerorpido,peroeltiempodelciclodeproduccinporpiezafuemenorparalaherramientacermica,seguidaporladecarburocementadoyfinalmenteladeacerorpido.Esdecir,queaunqueinicialmentehayquehacerunamayorinversinparalaherramientacermicafinalmenteserecuperaconcrecesenelcostoporunidadyladuracindelciclo.Lasherramientasdesechablessonrecomendadasporqueeltiempoporcicloyelcostoporpiezasonmenoresqueparalaherramientareafilable.
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EnlaTabla3semuestranlosresultadosparaminimizarelcostoporunidad.Seencontrqueelcostoporunidadesmenorparalaherramientacermica,luegosigueladecarburocementadoyfinalmenteladeacerorpido.Lasempresasmetalmecnicaspuedenescogerlavelocidaddecortedeacuerdoconlasnecesidadesdelmomento,esdecir,sitienendemorasconlaentregadelosproductos,esconvenientetrabajarconlavelocidaddecorteparamximavelocidaddeproduccin.Delocontrario,puedentrabajarconunavelocidaddecorteparaminimizarelcostoporunidad.Lasempresassiempredebentrabajarenesterangodevelocidadparaoptimizarelprocesodemanufactura.
Elcostodecadainsertodecarburoocermicoespequeo,comparadoconelimpactoquetienendichosinsertosconlascostosasyaltamenteproductivasmquinasCNC.ElcostodeunamquinaCNCindustrialpuedeestarenunrangoentre$300.000.000hasta$1.250.000.000.Conestospreciosnoesbuennegociousarlaherramientamsbarata,especialmenteconlaeconomaglobaldecompetitividad.Paraconseguirunsustancialahorrodecostosexistenotrosfactoresquepuedenincrementarseenelmaquinado,comoson:velocidades,avancesyprofundidadesdecorte.Sebajanloscostos,yaqueseestaprovechandoalmximolapotenciadelamquina,debidoalamayorcantidaddepiezasproducidasconunmenortiempodemaquinado.Usandolaherramientaapropiadasepuedemaximizarlaproduccin,peroaumentanloscostosdelaherramienta,portalmotivosedebeescogerentreprecioyproductividad.
CONCLUSIONESYRECOMENDACIONESLasherramientasdecermicaposeenmenorcostoporunidadymenorduracindelcicloquelasherramientasdecarburocementadoyquelasherramientasdeacerorpido.
Loscostosdelaherramientadeacerorpidoaumentanaltenerquereafilarlaherramientayeltiempodemaquinadoaumentaporlasvelocidadesdecortetanbajas.
Serecomiendaalasempresasmetalmecnicastrabajarconunavelocidaddecorteenunrangocomprendidoentrelavelocidaddecorteparamnimocostoylavelocidaddecorteparamnimotiempodeproduccin.
Lasvelocidadesdecortetantoparaminimizarelcostocomoparamaximizarlaproduccin,sondirectamenteproporcionalesalosparmetrosCyn.
BIBLIOGRAFAChen,M.C.Optimizingmachiningeconomicsmodelsofturningoperationsusingthescattersearchapproach.InternationalJournalofProductionResearch.July1,2004,vol.42,No.13,pp
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