Proyección de los Procesos Tecnológicos de Maquinado

Principios técnico-económicos de la proyección tecnológica.

La proyección tecnológica se basa en dos principios: el técnico y el económico. En

correspondencia con el principio técnico, el proceso tecnológico debe asegurar

íntegramente el cumplimiento de todos los requisitos establecidos en el plano

constructivo del artículo así como, las exigencias técnicas impuestas por su

destino de servicio. Atendiendo al principio económico, la fabricación del artículo

se debe llevar a cabo con la mano de obra y los gastos de producción mínimos. El

proceso tecnológico para la fabricación del artículo se debe organizar de forma tal

que sean utilizados los recursos disponibles de la manera más racional posible,

logrando costos de producción y tiempos de elaboración mínimos.

Generalmente los artículos se pueden elaborar según diferentes variantes de

procesos tecnológicos, entonces la tarea consiste en encontrar, de todas las

formas posibles, la variante donde se obtengan los mejores resultados desde el

punto de vista técnico y que transcurra con la mayor economía posible para las

condiciones dadas de producción.

Tanto con las tecnologías convencionales de fabricación como con las de punta, la

exactitud de la elaboración de las piezas se decide finalmente en el puesto de

trabajo. El conjunto formado por la máquina herramienta convencional o de control

numérico, el utillaje tecnológico para la fabricación de las piezas, la herramienta de

corte y la pieza a elaborar constituyen el Sistema Tecnológico.

La influencia que ha tenido la incorporación de los microprocesadores al control de

las principales funciones que se efectúan en el sistema tecnológico en las

máquinas herramienta con control numérico computarizado ha sido

verdaderamente impresionante, el control numérico computarizado ha permitido

incorporar cada vez nuevas funciones para la ejecución y control del proceso de

maquinado con influencia en todos los componentes del sistema tecnológico.

El origen de estos cambios está lógicamente en la necesidad de satisfacer las

leyes que caracterizan el mercado contemporáneo, con marcada reducción de los

ciclos de vida de los productos, el acercamiento cada vez mayor entre el cliente y

el productor y el aumento de las exigencias de calidad del producto dentro de un

ambiente productivo altamente competitivo.

Sin embargo, todos estos cambios por si solos no son suficientes para obtener los

mejores resultados desde el punto de vista técnico-económico durante la

fabricación de las piezas. Es necesario que el personal responsable del proceso

tenga la calificación requerida y se apropie de los procedimientos y medios

adecuados para la planificación del proceso de fabricación. Por ello, la proyección

de los procesos tecnológicos para el tratamiento mecánico es la vía para asegurar

la mejor ejecución del proceso de fabricación y tiene como objetivo ofrecer una

descripción detallada de toda la elaboración de la pieza, acompañada de los

cálculos y las fundamentaciones necesarias para la argumentación de la variante

de fabricación tomada, que comprende además, la formalización de la

correspondiente documentación tecnológica.

El proceso tecnológico proyectado sirve de base para establecer los datos iniciales

para organizar el suministro de los materiales básicos y auxiliares, el plan

calendario, el control técnico y la base instrumental y de transporte.

Los proceso tecnológicos se dividen en individuales, tipo y de grupo. Los

individuales se elaboran para las piezas independientes, los tipos para las piezas

normalizadas o piezas típicas y los de grupo para constructivas y

tecnológicamente análogas con semejanzas suficientes como para pertenecer a la

misma familia de piezas.

Al proyectar una fábrica nueva o modernizar la existente, las características

tecnológicas de las piezas a fabricar y sus procesos tecnológicos son tomados

como base para la selección del equipamiento a adquirir, la cantidad y calificación

de la mano de obra, la superficie útil del taller y sus instalaciones, así como los

medios de transporte y accesorios. De la calidad de la proyección tecnológica

realizada depende en gran medida el éxito de la producción.

La proyección de los procesos tecnológicos de caracteriza por su complejidad y

laboriosidad y tiene varias etapas consecutivas. Primeramente se realizan los

esbozos previos del proceso tecnológico en las etapas subsiguientes son

perfeccionados y concretados a base de cálculos tecnológicos detallados y como

resultado del perfeccionamiento progresivo de los esbozos previos se obtiene la

variante definitiva del proceso tecnológico.

El grado de elaboración detallada de la proyección tecnológica depende del tipo y

condiciones de producción. En la producción masiva y seriada los procesos

tecnológicos se elaboran con mucho detalle para todas las piezas individuales del

artículo. Para la tipificación y tecnologías de grupo se preparan procesos tipo.

Para la producción unitaria y en la actividad de mantenimiento o producción

auxiliar, la documentación se simplifica considerablemente gracias a la elevada

calificación de los operarios, son una excepción las piezas complejas y caras,

sobre todo en la construcción de maquinaria pesada, para las que también se

elaboran los procesos de manera minuciosa. Durante la producción con Maquinas

Herramientas CNC la documentación varía en función del nivel de integración de

las Maquinas Herramientas y de las condiciones organizativas de la producción,

en este caso el nivel de detalle de los documentos técnicos se va reduciendo en la

medida en que la planificación y el control del proceso se cumpla a través de

software especializados llegándose a sustituir la documentación técnica por

órdenes e instrucciones que viajan por redes entre las computadoras y el control

numérico en los dos sentidos a través de un sistema de control directo DNC en

condiciones de funcionamiento de los FMS y sistemas CIM.

Etapas de la proyección tecnológica

La proyección de un proceso tecnológico de maquinado para fabricar una pieza

resulta una actividad compleja. Se requiere escoger dentro de la amplia gama de

métodos de elaboración existentes, aquellos que aseguren las exigencias de

exactitud y rugosidad superficial de la pieza y al propio tiempo lograr que los

procedimientos de maquinado escogidos sean los más racionales y económicos

de acuerdo a las condiciones de producción dadas.

La proyección tecnológica debe realizarse según un orden establecido, para evitar

que se cometan posibles errores u omisiones durante el cumplimiento de esta

tarea. Por otra parte, resulta necesario consultar numerosos manuales y

normativas que en ocasiones se encuentran dispersos o no se disponen

simplemente lo que representa un gran reto para el tecnólogo.

A continuación se muestra la metodología a seguir para la confección de un

proceso tecnológico de maquinado y a través de ejemplos se ilustra el

procedimiento para cumplimentar cada etapa de la proyección tecnológica que

abarca, desde el análisis del diseño hasta el completamiento de la documentación

tecnológica. Se tratará además, los aspectos esenciales sobre el diseño de

dispositivos especiales para el maquinado.

Datos iniciales para proyectar los procesos tecnológicos de tratamiento mecánico.

Son datos iniciales para la proyección tecnológica los siguientes:

1. Plano constructivo para determinar el material, formas constructivas y

dimensiones de las piezas.

2. Plano de ensamble, donde se establecen los vínculos de las piezas con las

restantes del artículo.

3. Volumen de producción (cantidad de piezas a fabricar en la unidad de

tiempo, generalmente un año)

4. Especificaciones acerca del tipo de pieza en bruto, si existen.

5. Especificaciones acerca del equipamiento disponible.

6. Documentos normativos para los materiales, equipamiento, herramientas,

cálculo de regímenes de trabajo y de tiempos así como los documentos

tecnológicos para formalizar el proceso.

7. Especificaciones acerca de los programas de computación disponibles

como herramientas de ayuda durante la proyección tecnológica.

Análisis del diseño de la pieza que se va a elaborar.

Destino de servicio de la pieza.

En esta etapa se indagará acerca de la designación de servicio de la pieza que se

va a elaborar, especificándose la denominación y código de las piezas con las que

ésta se vincula durante el funcionamiento del artículo. Para ello, se estudiará en

detalles el plano de ensamble del conjunto donde se deberá dibujar un croquis que

refleje el vínculo de la pieza con las restantes de la unidad de ensamble, como se

muestra en la figura 2.

Clasificación de las diferentes superficies de la pieza según su asignación.

Las piezas están formadas por la conjugación de diferentes superficies con

funciones específicas, es tarea importante enmarcar cada superficie de la pieza

dentro de su clasificación.

La clasificación de las superficies debe hacerse tendiendo a los siguientes tipos:

Superficies bases fundamentales: son las superficies de la pieza que se utilizan

para definir su posición en el artículo (en la figura 2 se identifican empleando

cruces), por ejemplo: en el árbol los muñones son bases fundamentales y en la

rueda helicoidal, el orificio es una base fundamental. En una pieza sólo existe un

conjunto de superficies base fundamental.

Superficies bases auxiliares: Son las superficies de la pieza que se utilizan para

definir la posición de otras piezas respecto a ella (en la figura 2 se identifican con

puntos), por ejemplo: en la tapa inferior 6 la superficie que sirve de asiento al

casquillo inferior 5 cumple esa función. En una pieza pueden existir varios

conjuntos de bases auxiliares.

Superficies ejecutivas: Son las superficies de las piezas que permiten el

cumplimiento del destino de servicio de los mecanismos y máquinas (se

encuentran señaladas en la figura 2 con círculos), por ejemplo: las superficies

laterales de trabajo de los dientes de la rueda 2 posibilitan la transmisión del

movimiento en el reductor. El orificio en el casquillo superior 3, garantiza que se

cree la capa de lubricante necesaria entre el muñón del árbol y los casquillos

superior e inferior.

Debe destacarse que no todas las piezas tienen necesariamente superficies

ejecutivas. Por ello recomendamos que se inicie la clasificación de las superficies

con las superficies base fundamental y las bases auxiliares, después de realizada

esta clasificación sólo quedarán en la pieza superficies libres o ejecutivas, serán

ejecutivas si cumplen alguna función especial para el funcionamiento de la

máquina o el mecanismo, el resto serán libres.

Figura 2: Esquema simplificado de un reductor de tornillo sin fin con la

señalización de sus bases.

1. Cuerpo.

2. Rueda helicoidal.

3. Casquillo superior.

4. Árbol.

5. Casquillo inferior.

6. Tapa inferior del cuerpo.

7. Tapón.

8. Orificio para comprobar el nivel del aceite.

9. Copilla de engrase.

10. Tornillo sinfín.

11. Tapa.

Leyenda:

X Superficies bases fundamentales.

Superficies bases auxiliares.

O Superficies ejecutivas.

- Superficies libres.

Superficies libres: son las superficies que delimitan el contorno del material de la

pieza y que no cumplen ninguna función esencial en el funcionamiento de la

misma. Este tipo de superficies a diferencia de las explicadas anteriormente no

conjugan con las de otras piezas durante el funcionamiento de la máquina y por

ello llevan el nombre de superficies libres (se señalan en la figura 3 con pequeños

trazos):

Figura 3: Esquema que muestra la clasificación de las superficies de la rueda helicoidal atendiendo a su asignación.

Supongamos que le ha sido asignada la rueda helicoidal para realizar su trabajo

de curso (pieza 2 en el conjunto de la figura 2). Se deberá confeccionar un croquis

de la pieza con la clasificación de las superficies (ver figura 3). En el caso de la

pieza que se está analizando puede resultar contradictorio que se escojan como

bases fundamentales dos superficies laterales del cubo simultáneamente cuando

realmente sólo una define la posición axial de la pieza. Lo que ocurre es que la

rueda debe tener cierto juego axial que permita su rotación respecto a los

casquillos 3 y 5 por ello su posición puede definirse alternativamente tanto por la

superficie lateral derecha como por la izquierda.

Clasificación de las bases de construcción fundamentales y auxiliares de la pieza

atendiendo a la cantidad de puntos de referencia.

Según este índice las bases pueden clasificarse en:

1. Base de colocación

2. Base directriz.

3. Base de apoyo.

4. Base doble directriz.

5. Base de apoyo doble.

Para construir el esquema de basamento de la rueda helicoidal hay que recordar

de la Teoría de Basamento, que cuando utilizamos una superficie cilíndrica interior

como base, existe la posibilidad de que sea, base doble directriz, base de apoyo

doble o en algunos casos de apoyo.

Cuando la relación (l/d > 1) será doble directriz y en caso contrario será de apoyo

o de apoyo doble.

Figura 4: Esquema de basamento del conjunto base fundamental de la

rueda helicoidal.

La longitud de la superficie cilíndrica que sirve de base fundamental a la rueda

helicoidal es mayor que su diámetro por lo que es una base doble directriz y

elimina cuatro grados de libertad a la rueda, dos traslaciones a lo largo de los ejes

X y Z y dos rotaciones alrededor de estos mismos ejes. La superficie frontal del

cubo actuará como base de apoyo eliminando la traslación a lo largo del eje Y y la

superficie lateral del chavetero actúa también como base de apoyo; pero en este

caso elimina la rotación alrededor del eje Y tal como se observa en la figura 4.

Argumentación de la descripción dimensional de la pieza, de sus exigencias

técnicas y requisitos de exactitud.

Es importante que el tecnólogo antes de proyectar el proceso tecnológico de

maquinado esté convencido que las exigencias dadas a la pieza sean las

necesarias para el cumplimiento de su destino de servicio. En ocasiones los

diseñadores exageran las exigencias técnicas a las piezas o por el contrario

cometen imprecisiones al definirlas, todo lo cual conlleva a gastos considerables

durante la fabricación y explotación de las piezas. Sobre la base del análisis del

destino de servicio de la pieza y del plano de ensamble hay que valorar si la

rugosidad superficial, tolerancias y otras exigencias hacia las superficies de las

piezas están correctamente definidas en el plano constructivo y en

correspondencia con Normas vigentes. Para realizar este análisis se recomienda

apoyarse en las teorías del basamento y de las cadenas dimensiónales. A modo

de ejemplo, se analizará la descripción dimensional y los requisitos técnicos y de

exactitud de una pieza tipo árbol (ver figura 5).Todas las dimensiones y exigencias

establecidas a las piezas están recogidas dentro de alguno de los siguientes

grupos dimensionales:

Dimensiones de las superficies por separado.

Dimensiones que definen la posición mutua de las superficies dentro de un

conjunto de una misma asignación.

Dimensiones que definen la posición mutua de los conjuntos de las

superficies entre sí.

Dimensiones de las superficies libres.

Figura 5: Esquema del árbol de un reductor cilíndrico con sus exigencias y requisitos técnicos de exactitud corregidos.

La construcción y análisis de los esquemas de basamento y de las cadenas

dimensionales permiten determinar el conjunto de exigencias técnicas que habrá

que formular a las superficies de las piezas.

Elección del tipo de producción.

En esta etapa de realización del trabajo aún no se cuenta con la información

suficiente para determinar con exactitud el tipo de organización de la producción.

en la que será fabricada la pieza. No obstante, su conocimiento ahora es

importante, para poder ejecutar las etapas de la proyección tecnológica que

prosiguen. Según la tabla 5 y tabla 6, como se conoce, es característica de la

producción seriada, la organización de las piezas en lotes, por lo que para conocer

el tipo de serie es necesario determinar la cantidad de piezas que estarán

incluidas en cada lote, o sea la magnitud del lote de piezas.

Determinación de la magnitud del lote de piezas.

n = V.t /ф

Donde:

n: magnitud del lote de piezas :

V: volumen de producción.

t: número de días para los cuales es necesario tener una reserva de piezas en el

almacén.

t = 2 ...3 días para piezas grandes.t = 4 ...6 días para piezas medianas.t = 7 ...10 días para piezas pequeñas.ф: número de días de trabajo en el año (281 días).

Tabla 5: Recomendaciones para la selección del tipo de organización de la

producción.

Observación:

Piezas grandes – decenas de kg.

Piezas medianas – varios kg.

Piezas pequeñas – menos de 3.

Tabla 6: Recomendación para la selección del tipo de serie.

Selección del tipo de pieza en bruto.

Se entiende por pieza en bruto al objeto de producción a partir del cual, mediante

la variación de su forma, dimensiones, rugosidad superficial y propiedades del

material se obtiene la pieza terminada.

Revierte gran importancia la selección correcta del tipo de pieza en bruto toda vez

que los errores e imprecisiones que se cometan en esta etapa conllevan a gastos

innecesarios durante el inquinado del artículo.

Los criterios para la selección del tipo de pieza en bruto son los siguientes:

Material de la pieza.

Tipo de producción.

Forma, dimensiones, peso y exactitud de las superficies.

Esfuerzos a los que está sometida la pieza y condiciones de trabajo.

Coeficiente de aprovechamiento del material de la pieza en bruto.

Material de la pieza

FORJ ADA

Tipo de producción:

o Unitaria

o Seriada

o Masiva

Formas, dimensiones, peso y exactitud.

Esfuerzos a que está sometida la pieza y condiciones de trabajo.

Coeficiente de aprovechamiento del material de la pieza en bruto (a).

a = (Mpt / Mpb)100 % ..........(I)

Donde:

Mpt: masa de la pieza terminada.

Mpb: masa de la pieza en bruto.

Es conocido que la masa de la pieza puede calcularse a partir de la expresión:

m = V. r …………………..( II )

LAMINADA FORJ ADA FUNDIDA

Donde:

V: volumen de la pieza.

r : densidad del material (para los aceros 7,85 kg/dm3)

Sección cilíndrica:

Vpb = p . r² . l

Donde:

Vpb: volumen de la pieza en bruto.

l: longitud de la pieza en bruto.

r: radio.

Cilindro anular (tubo):

Vpb = p. L (r1²r2²)

Donde:

Vpb: volumen de la pieza en bruto.

L: longitud de la pieza en bruto.

r1: radio exterior del tubo.

r2: radio interior del tubo.

Como se conoce, generalmente las piezas en bruto fundidas tienen forma y

dimensiones más próximas a las piezas terminadas que las piezas en bruto

laminadas, es por ello que la magnitud del coeficiente de aprovechamiento del

material para la variante fundida generalmente es mucho mayor que para la

laminada. Sin embargo, una valoración más acertada la darán finalmente los

cálculos económicos.

El costo de producción de una pieza se compone del costo en producir la pieza en

bruto más el costo de su elaboración posterior.

Cpieza = Cpb. + Cmaq.

Claro está, que aún se desconoce la composición del proceso tecnológico para la

pieza, no se sabe cuántas operaciones tecnológicas tiene ni su orden de

ejecución, por lo que no podrá determinarse todavía la magnitud de los gastos en

que se incurrirán durante el maquinado de la pieza por una u otra variante.

Las expresiones para calcular el costo de la pieza en bruto para las diferentes

variantes se muestran a continuación. Los valores de los coeficientes empleados

se recogen en las tablas

1.- Cálculo de Cpb para la pieza en bruto laminada:

Cpbl. = Mpb.( Plam/1000) - (Mpb - Mpt).(S/1000)

Donde:

Plam: Precio medio de una tonelada de acero laminado.

S: Precio de una tonelada de los residuos del material.

2.- Costo de la pieza en bruto fundida:

Cpbf = Mpb. ke .kc .km (Pfund/1000) (MpbMpt)(S/1000)

Donde:

Ke: coeficiente de exactitud para Pb fundida.

Kc: coeficiente de complejidad para profundidad.

Kp: coeficiente de peso para Pb fundida.

Km: coeficiente de material para Pb fundida.

Pfund: Precio medio de una tonelada de Ac fundido.

3.- Costo de la pieza en bruto forjada:

Cpbforj = Mpb . kp . ke . kn (Pforj /1000)(MPbMP1)(S/1000)

Donde:

Kn: Coeficiente que considera el tipo de producción.

Pforj: Precio medio de una tonelada de piezas forjadas de acero.

El efecto económico alcanzado al utilizar una determinada variante se calcula

como:

E = V (Cpb Var1 – Cpb Var2)

Donde:

Cpb Var1 y Cpb Var2 : Costos asociados a las dos variantes en estudio.

Elección de los pasos tecnológicos para todas las superficies de la pieza.

Una vez conocido el tipo de organización de la producción en la cual será

elaborada la pieza, así como el tipo de pieza en bruto a partir de la cual se

obtendrá la pieza terminada, es necesario conocer los métodos de elaboración

que serán aplicados a cada superficie hasta asegurar los requisitos de rugosidad

superficial y de exactitud establecidos para cada una de estas.

En esta etapa de la proyección tecnológica hay que asegurar que los métodos de

elaboración utilizados garanticen los requisitos y exigencias técnicas indicados en

el plano constructivo de la pieza (fundamentalmente las tolerancias y rugosidades

superficiales. Los métodos que se escojan deben corresponder con el tipo de

producción, para garantizar la mayor economía del proceso tecnológico. En la

tabla 7 se indican los métodos de elaboración que se emplearán durante el

maquinado de cada superficie de la pieza tipo árbol que se muestra en la figura 6.

Así por ejemplo, la superficie 7 cuya dimensión es 45k6 tiene un grado de

exactitud IT 6, una exigencia de rugosidad superficial de 1,6 Ra y se clasifica

como una superficie cilíndrica exterior. Por ello resulta adecuado aplicarle por su

orden, los siguientes pasos tecnológicos: torneado de desbaste, torneado de

acabado y rectificado.

Las exigencias planteadas a ésta superficie de la pieza también pueden

obtenerse con un torneado de acabado sin tener que rectificar; pero ello

presupone una alta calidad del herramental y del equipamiento tecnológico

utilizado lo que encarece la operación, por lo que en condiciones seriadas de

producción resulta más ventajoso obtener los requisitos de exactitud y rugosidad

establecido para la superficie a través del rectificado.

Figura 6: Esquema del árbol KTP1.01162.

Tabla 7: Métodos de elaboración para el maquinado del árbol KTP.1.01.612.

Elección de las bases tecnológicas y establecimiento de la ruta tecnológica.

En el punto anterior se ha propuesto la secuencia de métodos de elaboración que

garantizan los requisitos de exactitud de cada una de las superficies de la pieza de

la figura 6. Sin embargo, para que la pieza pueda cumplir con su destino de

servicio hay que asegurar una adecuada disposición entre todas las superficies y

esto se logra con una correcta elección de las bases tecnológicas. La elección de

las bases tecnológicas es considerada por muchos especialistas como la etapa

más compleja de la proyección tecnológica, donde se explica detalladamente la

metodología a seguir para cumplir esta tarea.

Durante este trabajo es necesario tener en consideración los siguientes aspectos:

1. Tipo de producción.

2. Tipo de pieza en bruto.

3. Requisitos de exactitud y acabado superficial.

4. Tolerancias de forma y posición de las superficies.

5. Principios de Coincidencia y Unidad de las bases.

6. Tratamiento térmico.

7. Tecnologías Tipos y de Grupo.

8. Equipamiento.

Veamos cómo influyen estos elementos:

Tipo de Producción:

Si la producción es unitaria o en pequeñas series, es conveniente concentrar las

operaciones, por razones organizativas, mientras que en las producciones de

mediana y grandes series así como en la masiva conviene tener más operaciones,

así como separar las operaciones de desbaste de las de acabado, con lo que se

disminuye la complejidad y se logra una mayor especialización del obrero y

permite además emplear los obreros de baja calificación en operaciones de

desbaste.

Así por ejemplo, un valor de rugosidad superficial de Ra 1,6 tecnológicamente

puede lograrse durante el torneado de acabado, pero serían necesarias

condiciones especiales tales como gran rigidez del sistema MADIPH, empleo de

herramientas de corte apropiadas y de gran exactitud geométrica, regímenes de

corte óptimos, y operarios de la mayor calificación, todo lo cual encarece

considerablemente el proceso y lo hace inaplicable en condiciones seriadas de

producción, por ello es aconsejable desde el punto de vista económico, para este

tipo de producción, concebir inicialmente una operación de torneado y luego otra

de rectificado.

Tipo de pieza en bruto.

Este factor ejerce gran influencia en el proceso tecnológico; si la pieza en bruto es

forjada viene con superficies inclinadas para facilitar su extracción de las

estampas, pero que a su vez perjudican, su correcta orientación y agarre en la

máquina herramienta, por ello es frecuente la inclusión de una operación adicional

en el proceso tecnológico para preparar bases tecnológicas de la pieza. Algo

similar ocurre con las piezas fundidas, principalmente las moldeadas en dos cajas.

Las piezas en bruto laminadas son maquinadas atendiendo a la configuración que

tenga el laminado es por ello que deben escogerse laminados con configuración

similar a la pieza terminada lo cual reduce la laboriosidad del maquinado, por otra

parte, existirán diferencias en los pasos tecnológicos y operaciones en

dependencia de sí la pieza en bruto es una barra laminada o simplemente una

sección de barra laminada, en el último caso, por ejemplo, la elaboración de los

orificios de centros para una pieza tipo árbol puede efectuarse en una fresadora

centradora sin embargo, si se obtuviera esta misma pieza a partir de una barra

laminada esta operación se efectuaría en un torno.

Requisitos de exactitud y de acabado superficial.

Esto se refiere a que para cada superficie fueron seleccionados los métodos de

elaboración correspondientes.

Tolerancias de forma y posición de las superficies.

Primero se debe analizar la función específica que cumple cada superficie en la

pieza, así como su interrelación con las restantes superficies, lo que está

condicionado por el destino de servicio de cada pieza, y por las condiciones de su

funcionamiento; por ejemplo, en el árbol de la figura 6, las superficies 2, 7 y 9

tienen una exigencia de coaxialidad de 0,06; esto implica que deben ser

maquinadas definitivamente en la misma colocación.

En los árboles las dimensiones fundamentales se establecen por los diámetros a

partir de su eje medio por lo que deberá utilizarse el eje de la pieza como base

tecnológica siempre que sea posible.

A las ruedas dentadas se le atribuyen exigencias de pulsación radial de las

superficies exteriores

de los dientes respecto al eje del orificio interior; lo que hace necesario en la

operación de tallado centrar por el diámetro interior de la rueda.

Durante la elaboración de bujes y casquillos, si tienen exigencias de coaxialidad

entre su diámetro interior y exterior al rectificar exteriormente necesitamos colocar

la pieza en un mandril extensible y centrar por el diámetro interior, mientras que si

no tiene esta exigencia se puede rectificar en una máquina rectificadora sin

centros.

Análisis similar debe realizarse durante la selección de los métodos de elaboración

de las diferentes superficies.

.

Principio de Coincidencia y de Unidad de las bases.

El principio de “Coincidencia de las Bases” se refiere a que en un proceso de

maquinado, si es posible, la pieza debe elaborarse tomando como bases en cada

operación las bases de proyecto dimensional, ello garantiza la obtención de la

mayor exactitud durante el maquinado. Por ejemplo, en los árboles, el diseñador al

establecer las dimensiones diametrales emplea como base de proyecto

dimensional al eje medio del árbol, deberá utilizarse entonces durante el

maquinado esta superficie como base tecnológica, a ello responde que en la

mayoría de los procesos tecnológicos para estas piezas, la primera operación esté

dirigida al fresado o refrentado de los extremos y la elaboración de los orificios de

centros. El principio de “Unidad de las Bases” se refiere a que en todas o en la

mayoría de las operaciones se utilice una base tecnológica única, ello garantiza la

mayor economía del proceso toda vez que se logra reducir los costos de la

preparación tecnológica de la producción relacionados fundamentalmente con el

diseño y fabricación de herramentales, ya que al utilizarse esquemas de

basamento comunes para diferentes operaciones podrán concebirse variantes

similares para los dispositivos.

Tratamiento Térmico.

El tratamiento térmico generalmente influye en el proceso con nuevas

operaciones, por ejemplo el árbol de la figura 6, lleva cementación y temple hasta

adquirir una dureza de HRC 30 40 lo que origina deformaciones en las superficies,

siendo necesario el rectificado después del tratamiento térmico ya que el

maquinado con cuchillas en superficies con dureza superior a HRC 30 se dificulta.

Sin embargo, durante el temple superficial por alta frecuencia al que se someten

las ruedas dentadas, donde se reduce al mínimo las deformaciones por estar

sometidas a regímenes térmicos solamente las superficies de los dientes, no hay

que rectificar el orificio interior de la rueda después del tratamiento térmico.

Tecnologías Tipos y de Grupos.

La consideración de tecnologías tipos y de grupos simplifica la preparación

tecnológica de la producción al brindar la consecutividad de operaciones

tecnológicas y equipamiento a emplear en cada operación para las piezas que se

incluyen dentro de cada tipo o grupo de piezas.

Equipamiento.

Durante la proyección tecnológica debe seleccionarse para cada operación la

máquina herramienta que garantice la obtención de los requisitos técnicos y de

exactitud de la pieza de la forma más racional y económica posible.

Para escoger el modelo de la máquina es necesario hacer una valoración de

aspectos como:

El volumen de producción, requisitos de exactitud y acabados superficiales,

métodos de obtención de las piezas en bruto (laminado, fundido, forjado etc.),

peso de la pieza, relación entre carga y capacidad respecto a otros renglones de

producción, dimensiones de la pieza, entre otros.

Analizaremos algunos de estos aspectos para un mejor entendimiento.

El volumen de producción determina el grado de automatización del equipamiento

a utilizar. Para producciones en grandes series y masivas se deben escoger

máquinas semiautomáticas o automáticas que reducen los gastos de tiempos

auxiliares durante la elaboración y permiten el empleo de obreros de más baja

calificación. Para volúmenes pequeños se debe escoger el equipamiento

universal.

En cuanto a los requisitos de exactitud y acabado superficial; mientras más

exactas sean las superficies de las piezas y mayores sean las exigencias de

rugosidad superficial más precisa deberá ser la máquina herramienta a utilizar.

El tipo de pieza en bruto a emplear limita la selección del equipamiento

fundamentalmente en los casos de piezas en bruto forjadas y fundidas ya que

estas piezas tienen en la mayoría de los casos, una distribución no uniforme de su

masa, no debiéndose emplear máquinas con movimientos de rotación de las

piezas en bruto con grandes velocidades de rotación del husillo. Sin embargo, las

piezas laminadas ofrecen mayores posibilidades de selección del equipamiento

por poseer simetría axial. Para maquinar piezas pesadas y de grandes

dimensiones se deberán escoger máquinas robustas que aseguren buena

sujeción y que tengan la potencia necesaria para el corte en otro caso, se

escogerán equipos ligeros.

La selección del equipamiento con un balance de carga y capacidad adecuado,

garantiza la utilización racional del parque de máquinas del taller, aunque en

ocasiones, se selecciona un equipo que no es el más adecuado para el

cumplimiento de determinada operación a causa de que los restantes equipos se

encuentran muy cargados.

Sobre la base de la generalización de los aspectos analizados se confecciona la

ruta tecnológica para la elaboración de la pieza la que se detallada en la

documentación tecnológica conforme a las normas de empresa, estatales o

internacionales.

Cálculo de los Regímenes de Corte

Cada operación tecnológica tiene características especiales para el cálculo de los

regímenes de corte y depende en lo fundamental de:

Material a elaborar

Dimensiones de la pieza en bruto

Dimensiones de la pieza terminada

Material de la herramienta

Geometría de la herramienta

Características de la máquina herramienta a utilizar

Potencia del motor eléctrico principal y su coeficiente de rendimiento

Figura 7: Algoritmo para calcular los regímenes de corte.

Automatización de la proyección de procesos tecnológicos. Estado actual del

desarrollo de los sistemas CAD/CAPP/CAM

Antes de referirnos a los sistemas CAD/CAPP hay que ubicarlos dentro de su

contexto en la fábrica moderna y el CIM. Una arquitectura CIM presupone,

mediante el uso de computadoras, la automatización total o parcial de todas las

etapas que participan en la creación del producto, tales como: marketing y estudio

de mercado, diseño (CAD), planificación de procesos (CAPP), fabricación (CAM),

gestión y dirección de la producción (PDM), planificación de recursos materiales

(MRP / MRPII), ensamble, etc. [9]

Como se observa, es un concepto muy amplio, ya que integra tanto las áreas

productivas como administrativas y va desde el nivel de toma de decisiones

estratégicas a largo plazo hasta la operación instantánea de un equipo o máquina

herramienta cuyo ciclo de trabajo puede ser de segundos.[7][9] En fin, el CAD y el

CAPP son las etapas del CIM que participan en el diseño y la planificación del

proceso de fabricación del producto, respectivamente.

Fueron grandes las expectativas que generó la filosofía CIM, principalmente a

finales de la década del 80 e inicios de los años 90. Sin embargo, los esfuerzos en

su introducción se vieron afectados por diversos inconvenientes propios de una

organización de la producción totalmente integrada, sobre todo en momentos

donde parece más conveniente la subcontratación de diversos componentes de

los artículos a terceros, con la tendencia a la reducción del tamaño de la empresa

y de la diversidad de procesos que se efectúan en la misma fábrica. Lo dicho

significa que el CIM es factible, hasta el momento, para determinadas condiciones

de producción y tipos de artículos.

Hace unos años se enfrentaba el problema de la automatización de las fábricas

mediante la automatización independiente de diferentes etapas de creación del

producto: el diseño, preparación tecnológica, fabricación y ensamble. Así, los

problemas de incompatibilidad y de comunicación entre estas etapas se han

venido resolviendo mediante el uso de interfaces estándares como IGES, STEP y

otras [95].

En la actualidad la solución de los problemas de incompatibilidad entre las

diferentes etapas se resuelve definitivamente mediante la aplicación de nuevos

conceptos de modelado, que permiten la obtención de un modelo único del

producto orientado al proceso , donde se integra toda la información que se

necesita en cada una de las etapas del ciclo de obtención del producto. [2]

El modelado del producto ha sido identificado por Roller y Brunet como el punto de

partida para una gestión eficiente de la información en la empresa. Los sistemas

CAD/CAPP/CAM constituyen unas de las etapas del CIM que en correspondencia

con esta tendencia han experimentado mayor evolución.

La integración en el contexto del CAD/CAPP/CAM se identifica como el enlace

automático de las tareas de diseño y del proceso de producción. Las

características principales de esta integración son:

Los datos son transferidos automáticamente entre los diferentes módulos y

grupos de usuarios del sistema.

El sistema es controlado por un nivel superior con funciones de chequeo y

control del flujo de datos entre los módulos.

Los módulos del sistema funcionan en una interface común.

Una barrera no superada aún para el exitoso desarrollo de los sistemas CIM, está

constituida por la insuficiente introducción de procedimientos de conciliación de

decisiones entre las diferentes etapas de creación del producto, así como en el

insuficiente desarrollo alcanzado por la teoría y las técnicas de conciliación de

decisiones.

A continuación se muestra una síntesis del estado del arte de cada una de las

partes de la integración CAD/CAPP.

Estado actual del desarrollo de los sistemas CAD

En el marco de estos sistemas se han desarrollado nuevos conceptos como: la

Ingeniería Simultánea o Concurrente y el Diseño para la Fabricación (DFM), donde

es considerado el diseño como la primera fase de la fabricación del artículo. De

esta forma se llega al diseño definitivo del producto luego del completamiento de

varios ciclos con el tránsito sucesivo por las etapas de modelación, simulación,

cálculos de diseño y análisis con la aplicación de los métodos de elementos finitos

(FEM) y de fronteras (BEM), y la confección de prototipos virtuales a partir de la

aplicación de técnicas de realidad virtual, donde se logra la simulación del

comportamiento real del artículo a través del uso de prototipos basados en

computadoras. Todo este trabajo se cumple con el incremento de la exactitud y

calidad del diseño y una drástica reducción del tiempo de proceso respecto a los

sistemas de diseño y fabricación tradicionales.

El éxito de un modelo del producto orientado al proceso se decide, básicamente,

desde la etapa misma de diseño, toda vez que durante el diseño se va procesando

un conjunto de información de gran utilidad para las etapas subsiguientes de la

producción, como es la relacionada con la cantidad de artículos que se quieren

producir, sus formas constructivas y tecnológicas del diseño, sus propiedades

físicas, y la descripción dimensional, donde se definen las exigencias de exactitud

que deben lograrse durante la fabricación y que deben ser comprobadas durante

el proceso o al finalizar éste. Una parte de esta información es utilizada,

directamente, para la planificación del proceso de producción (CAPP), la

planeación y scheduling (CAP) y la planificación de recursos materiales (MRPII).

A continuación se verán los aspectos más relevantes de los sistemas CAPP y

cómo se efectúa en estos sistemas el procesamiento de la información

proveniente de la sección de diseño.

Estado actual del desarrollo de los sistemas CAPP

La planificación del proceso de manufactura puede ser definida, según Kochan,

como el subsistema responsable de la conversión de los datos de diseño en

instrucciones de trabajo. La planificación de procesos es el enlace entre el diseño

y la fabricación. Los requisitos, exigencias y descripción dimensional establecidos

para el diseño sólo pueden ser convertidos a un lenguaje entendible por los

sistemas de fabricación a través de la planificación de procesos.

J. Hatvany define, que el objetivo central de la planificación de procesos de

manufactura es “alcanzar una elevada eficiencia económica de la producción a

través de la optimización de las etapas del proceso, procedimientos y parámetros”.

La planificación de procesos puede efectuarse manual o automáticamente con la

ayuda de computadoras. Diversos autores como Alejandro Bengoa [3:617] hacen

una clasificación amplia sobre los sistemas CAPP. Sin embargo, nos interesa

mostrar sólo los aspectos más relevantes de esta clasificación.

La planificación manual se sustenta en el cumplimiento secuencial, por el

tecnólogo, de las acciones comprendidas desde el análisis del diseño hasta el

completamiento de la documentación tecnológica para la pieza y abarca todas las

etapas descritas en la clase de hoy. Algunas empresas utilizan programas de

computación para automatizar etapas de la planificación, como por ejemplo, el

cálculo de regímenes de corte y los tiempos totales de elaboración.

Normalmente se pueden emplear diferentes métodos de elaboración para una

misma superficie de la pieza y el planificador deberá seleccionar, entre todos,

aquel que resulte el más conveniente para las condiciones dadas. Evidentemente

este proceso de toma de decisiones estará condicionado en gran medida por la

experiencia del planificador. A este tipo de planificación de procesos se le conoce

también como manvariant, toda vez que se cumple al comparar, manualmente,

procesos tecnológicos existentes para piezas semejantes a la que se va a obtener,

y este tipo de planificación todavía es el más comúnmente utilizado.

Generalmente la planificación manual se cumple en condiciones de organización

de la producción y equipamiento propios de las tecnologías convencionales. Las

deficiencias asociadas a la tecnología convencional tales como: baja

productividad, incapacidad de ofrecer respuesta rápida a los cambios de

nomenclaturas, costo elevado de la preparación tecnológica de la producción y de

conjunto, ha estimulado el tránsito cada vez más acelerado hacia los Sistemas

Flexibles de Fabricación sustentados sobre bases informáticas. En estas nuevas

condiciones se aplica normalmente la planificación automatizada del proceso de

manufactura.

El surgimiento de la tecnología CNC y el uso extensivo de computadoras en la

industria ha permitido dar solución a un viejo problema asociado a la fabricación,

el de los gastos excesivos de tiempo de planificación del proceso de manufactura.

Ya en el año 1965 se plantearon las primeras ideas sobre la automatización de la

planificación de procesos. [4] En la actualidad existen numerosos sistemas para la

planificación de diversas operaciones tecnológicas con buenos resultados. Por

ejemplo, un equipo de control de calidad fue diseñado, fabricado y entregado en

dos semanas con el uso de un sistema automatizado de planificación de procesos,

estimándose que eran necesarias entre seis y doce meses para cumplir ese

trabajo con una planificación manual.

Black refiere que Spur y Optiz se cuentan entre los primeros en escribir acerca de

la automatización de sistemas de manufactura y que Spur fue quizás el primero en

definir y aplicar los métodos de variante y generativo para la planificación de

procesos.

El método de variante está basado en la tecnología de grupo y el diseño de los

sistemas sustentados sobre este método presupone las etapas siguientes:

1. Construir un catálogo (o menú) de planes de procesos para producir una gama

de piezas en un conjunto determinado de máquinas herramienta.

2. Crear el software adecuado para recorrer los planes almacenados en el

catálogo y encontrar el que más se asemeje a la pieza que se va a fabricar.

Los planes de fabricación basados en el principio de variante son determinados

por la activación de diversas soluciones estándar para operaciones individuales y

adaptadas o ajustadas según la necesidad.

El método de generación consiste en la creación, por el sistema automatizado, de

una tecnología adecuada para fabricar la pieza. El diseño de los sistemas

sustentados sobre este método presupone las etapas siguientes:

1. Descripción de la pieza en detalles.

2. Descripción de los procesos disponibles para producir la pieza.

3. Selección de los agregados que pueden ejecutar el proceso.

4. Creación de un software para interpretar la pieza, el proceso y el equipamiento

disponible, para establecer sus vínculos y buscar la tecnología adecuada de

fabricación.

La planificación automatizada de procesos precisa de un modelo complejo que

integre diferentes etapas de creación del producto. Los modelos usados

actualmente en las tareas de planificación de procesos de manufactura buscan

una mayor aproximación a las tecnologías CAD/CAM dentro de un ambiente CIM

e incluyen las actividades siguientes:

Planificación de Procesos (basada en la información del diseño de la pieza).

Reconocimiento de la información sobre la pieza.

Selección del proceso de fabricación.

Determinación de la secuencia de fabricación.

Determinación de la secuencia de utilización de los agregados

tecnológicos.

Diseño del proceso de inspección.

Planificación de Operación:

Selección o diseño de dispositivos.

Selección de las herramientas.

Determinación de las condiciones de ejecución de la operación.

Selección de los parámetros de operación.

Algunas de estas actividades admiten su división en otras más específicas. Un

modelo con buenas reglas de decisión para cada actividad rara vez genera malos

planes. El sistema de planificación deberá convertir el proceso de toma de

decisiones en un conjunto de pasos que se ejecuten automatizadamente con la

participación, como un elemento fundamental, del ser humano en este proceso.

Actualmente se tiende hacia modelos que almacenen información en la etapa de

diseño, que será utilizada en las etapas subsiguientes con los beneficios

asociados en el ahorro de tiempo, así como en la consistencia de la información,

al evitarse la repetición en la entrada de datos durante la fabricación.

En adición a los diferentes tipos de planificación de procesos pueden ser

propuestos diferentes grados de automatización. Un sistema de planificación de

procesos completamente automático eliminaría toda intervención humana desde la

interpretación del dibujo de la pieza hasta la preparación completa del plan para

todas las operaciones de fabricación.

Esquemáticamente este tipo de sistema se corresponde con el gráfico

representado en la figura 1

a). En el bloque denominado “Unidad Lógica” se realiza la interpretación del plano

constructivo para convertir los requisitos y descripción dimensional de la pieza en

órdenes y requerimientos del proceso de fabricación.

El esquema de la figura 1 b) representa un sistema de planificación que presupone

la participación del planificador en determinadas partes del proceso. Así, la

codificación de los datos del dibujo (referidos a la precisión dimensional de las

superficies, exigencias de rugosidades superficiales, etc.) se realiza manualmente

y posteriormente se efectúa, de manera automática, el procesamiento de los datos

en la “Unidad Lógica” para obtener como resultado el Plan del Proceso, que podrá

ser ajustado con la intervención humana.

La experiencia en este campo indica que pequeñas intervenciones del hombre en

el proceso de planificación puede simplificar y mejorar los resultados que se

obtengan. Así, FrankLothar Krause presenta el sistema CAPSY para la

planificación de piezas rotacionales, prismáticas y las que se obtienen a partir de

chapas. CAPSY está basado en el método generativo con lógica de planificación

flexible que permite la intervención del planificador durante el proceso de creación

del plan del proceso.

Los principales beneficios que reporta el uso de los sistemas CAPP,

independientemente de su tipo, son los siguientes:

1. Reduce la necesidad del empleo de planificadores de gran experticia.

2. Reduce los tiempos de ejecución de la planificación de procesos.

3. Contribuye a la reducción de los costos de planificación y fabricación.

4. Da la posibilidad de crear planes más consistentes y exactos.

5. Crea mejores condiciones para el cumplimiento de la disciplina tecnológica.

6. Contribuye al incremento de la productividad.

En adición a las ventajas señaladas, un sistema CAPP generativo supera al de

variantes en tres aspectos principales:

1. La asimilación de los avances tecnológicos se reduce a la actualización de

sus características en la base de datos.

2. Las piezas nuevas se pueden planificar tan fácilmente como las ya

existentes, sin que haya que generar completamente la nueva tecnología e

introducirla en la base de datos estándar de procesos, como ocurre con el

método de variantes.

3. El sistema puede potencialmente efectuar un mejor enlace con otros

sistemas de dirección y control.

Figura 1: Sistemas automatizados de planificación de procesos.

En mi opinión, el grado de automatización y la efectividad de un sistema

CAD/CAPP, o de cualquier sistema destinado para la toma de decisiones, están

vinculados con su capacidad de preparar decisiones que satisfagan los objetivos

reales que persigue el decisor. En efecto, la ejecución paso a paso de un diseño

y/o de la tecnología de su fabricación por el operador, sin un enfoque integrador

de la tarea que se resuelve, incluso ayudado por medios computacionales,

constituye un proceso largo y tedioso, mientras que la optimización de estas

tareas requiere, en teoría, tan solo de la caracterización de los objetivos que se

persiguen, y queda la elaboración de las opciones de solución a la tarea por parte

del sistema, lo que implica la elevación de su grado de automatización.

Por otra parte, los sistemas que preparan paso a paso el diseño y/o generan la

tecnología, y aquellos que preparan estas decisiones mediante reglas netamente

empíricas, aportan resultados que no coinciden, en principio, con el sistema de

preferencias del decisor, lo que se traduce en una inferior eficiencia del proceso

asociado. Además, por no coincidir las propiedades de las soluciones con el

sistema de preferencias del decisor, son necesariamente objeto de frecuente

cuestionamiento por no satisfacerse plenamente los objetivos buscados, lo que se

traduce no sólo en una pérdida en eficiencia computacional, sino, también, en una

reducida calidad de las soluciones entregadas.

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