Proyecto Fin de Carrera Ingeniería...

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones

de mecanizado en un torno paralelo

Autor: Rubén Moreno Cobos

Tutor: Domingo Morales Palma

Dept. de Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

Proyecto Fin de Carrera

Ingeniería Aeronáutica

Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones

de mecanizado en un torno paralelo

Autor:

Rubén Moreno Cobos

Tutor:

Domingo Morales Palma

Profesor Contratado Doctor

Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación

Escuela Técnica Superior de Ingeniería

Universidad de Sevilla

Sevilla, 2014

v

Proyecto Fin de Carrera: Modelado y simulación con CATIA V5 de operaciones de mecanizado

en un torno paralelo

Autor: Rubén Moreno Cobos

Tutor: Domingo Morales Palma

El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes

miembros:

Presidente:

Vocales:

Secretario:

Acuerdan otorgarle la calificación de:

Sevilla, 2014

El Secretario del Tribunal

vii

Resumen

El presente proyecto surge en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación en

línea con las investigaciones que actualmente se llevan en él sobre fabricación de piezas

con las máquinas-herramienta de control numérico del taller a partir de Catia V5. El

principal objetivo del proyecto es modelar en Catia V5 un torno paralelo Pinacho modelo

T3, sus componentes y sus movimientos principales y simular el mecanizado de varias

piezas reales, analizando los resultados obtenidos y comparándolos con los procedimientos

reales del mecanizado en el torno. A pesar de las limitaciones existentes debido a que Catia

V5 es una herramienta para simular máquinas-herramienta de control numérico y en este

caso se emplea para simular el comportamiento de un torno paralelo convencional, ha sido

posible generar un modelo capaz de simular multitud de operaciones. Dicho modelo

permitirá analizar los movimientos de la máquina-herramienta durante el mecanizado,

detectar colisiones y generar trayectorias de las herramientas de corte, de gran utilidad para

optimizar un proceso de torneado.

ix

Índice

Resumen ...................................................................................................................................... vii

Índice ............................................................................................................................................ ix

1. Introducción ........................................................................................................................ 11

1.1. Contexto ........................................................................................................................... 11

1.2. Objetivos .......................................................................................................................... 11

1.3. Estructura del documento ................................................................................................. 12

2. Torno Pinacho Mod. T3 ...................................................................................................... 15

2.1. Descripción de la máquina-herramienta ........................................................................... 15

2.2. Operaciones y herramientas ............................................................................................. 19

3. Modelado y simulación de la máquina-herramienta ........................................................... 23

3.1. Módulos empleados.......................................................................................................... 23

3.1.1. Módulos de diseño .................................................................................................... 23

3.1.2. Módulos de mecanizado ............................................................................................ 24

3.1.3. Módulos de simulación ............................................................................................. 24

3.2. Modelado del torno Pinacho Mod. T3 ............................................................................. 24

3.2.1. Componentes principales .......................................................................................... 24

3.2.2. Análisis de colisiones ................................................................................................ 36

3.2.3. Construcción de la máquina-herramienta .................................................................. 36

3.3. Simulación del torno Pinacho Mod. T3............................................................................ 43

3.4. Limitaciones del modelo .................................................................................................. 45

4. Modelado y simulación de operaciones de torneado ........................................................... 49

4.1. Aplicación práctica 1: torneado de cilindros concéntricos ............................................... 49

x

4.1.1. Fase 1 ........................................................................................................................ 50

4.1.2. Fase 2 ........................................................................................................................ 51

4.1.3. Fase 3 ........................................................................................................................ 53

4.1.4. Fase 4 ........................................................................................................................ 55

4.1.5. Cuadro resumen......................................................................................................... 56

4.2. Aplicación práctica 2: ranurado y torneado cónico .......................................................... 57

4.2.1. Fase 1 ........................................................................................................................ 57

4.2.2. Fase 2 ........................................................................................................................ 61

4.2.3. Cuadro resumen......................................................................................................... 63

4.3. Aplicación práctica 3: mandrinado de cilindros concéntricos .......................................... 63

4.3.1. Fase 1 ........................................................................................................................ 65

4.3.2. Cuadro resumen......................................................................................................... 68

4.4. Aplicación práctica 4: torneado de forma ........................................................................ 68

4.4.1. Fase 1 ........................................................................................................................ 69

4.4.2. Fase 2 ........................................................................................................................ 70

4.4.3. Fase 3 ........................................................................................................................ 71

4.4.4. Fase 4 ........................................................................................................................ 73

4.4.5. Cuadro resumen......................................................................................................... 75

5. Conclusiones y trabajos futuros .......................................................................................... 77

5.1. Conclusiones .................................................................................................................... 77

5.2. Trabajos futuros ............................................................................................................... 78

Bibliografía ................................................................................................................................. 79

Anexos......................................................................................................................................... 81

11

1. INTRODUCCIÓN

1.1. Contexto

El contenido del proyecto gira en torno al mecanizado en máquinas-herramienta de control

numérico y su control mediante el uso de programas CAD/CAM. Dichos programas, entre los

que se incluye Catia V5, se utilizan para modelar las operaciones de mecanizado, simular y

analizar los movimientos de la máquina-herramienta, detectar colisiones y generar las

trayectorias de las herramientas de corte, entre otras muchas posibilidades.

Actualmente en el Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación se investiga en la

fabricación de piezas con las máquinas-herramienta de control numérico del taller a partir de

Catia. Algunos ejemplos serían:

Mecanizado de componentes aeronáuticos en centro de mecanizado de 2'5 ejes EMCO

VMC-200.

Fabricación de piezas más complejas (componentes aeronáuticos, prótesis dentales, etc.)

mediante mecanizado de alta velocidad en centro de mecanizado de 5 ejes MIKRON

HSM 400.

Generación de las trayectorias de un punzón para conformado incremental de chapa en

la EMCO VMC-200.

Modelo de las máquinas-herramienta de control numérico que existen en el taller del

departamento.

Cabe añadir que el objetivo final es que los resultados de todos estos trabajos reviertan en la

docencia del departamento.

1.2. Objetivos

En este proyecto se pretende evaluar las posibilidades del programa Catia V5 para modelar y

simular procesos de mecanizado en una máquina-herramienta que no es de control numérico, en

particular un torno paralelo convencional disponible en el laboratorio del departamento.

Se han establecido los siguiente objetivos concretos:

Modelar en Catia V5 un torno paralelo Pinacho modelo T3, sus componentes y sus

movimientos principales.

Modelar y simular con Catia V5 el mecanizado de varias piezas reales en el torno

paralelo.

12 Introducción

Analizar los resultados obtenidos y comparar con los procedimientos reales del

mecanizado en el torno.

Generar una documentación bien estructurada a partir de las simulaciones realizadas

que permita ser usada como material didáctico en la docencia del departamento. Esta

documentación se ajustará al proceso real del mecanizado en el torno paralelo y en

ningún caso se verá afectada por las posibles dificultades encontradas en el modelado

con Catia V5.

1.3. Estructura del documento

El proyecto posee un primer capítulo en el que se incluye una descripción general de la máquina

en la que se basa el trabajo (torno paralelo convencional) y de cada uno de sus componentes

principales así como un breve repaso de las operaciones que es posible realizar mediante dicha

máquina y las herramientas empleadas para ello. Este capítulo se apoya con imágenes extraídas

del propio laboratorio de fabricación.

Posteriormente, se detalla cómo se ha modelado y simulado el torno paralelo. En primer lugar se

explica la elaboración de cada uno de los componentes principales, que en la mayoría de los

casos se componen de diversos archivos .CATpart para luego pasar a estudiar la existencia de

colisiones y el modelado como máquina-herramienta en el que se definen los pares, recorridos,

puntos de colocación de la herramienta y de la pieza a mecanizar. Se incluye, además, una

breve descripción general de Catia V5 y los distintos módulos empleados en el presente

proyecto. En este capítulo, se hará hincapié en el hecho de que Catia V5 es una herramienta

CAD/CAM utilizada para simular los movimientos que tienen las máquinas-herramienta de

control numérico, no los de un torno paralelo, por lo que surgirán algunas limitaciones en las

simulaciones a realizar debido a que no es la herramienta óptima para ello.

Como aplicación práctica del modelo, se elaboran una serie de piezas que servirán como

ejemplo. Se detallan para cada una de las piezas las distintas fases, operaciones, herramientas y

el documento se apoyará con material gráfico extraído de Catia V5 que facilite la comprensión

al lector.

Se incluyen las conclusiones obtenidas durante la realización del proyecto y las posibles líneas

de trabajo que se podrían abordar de seguir trabajando en él para obtener resultados que se

ajusten mejor a la realidad.

Modelado y simulación con Catia V5 de operaciones de mecanizado en un torno paralelo 13

Por último, el capítulo de anexos contiene información referente al material adicional

proporcionado junto a la memoria del proyecto y además incluye toda la documentación

elaborada a partir de las simulaciones realizadas.

14 Introducción

15

2. TORNO PINACHO MOD. T3

La máquina-herramienta en la que se centra el proyecto es un torno paralelo convencional

fabricado por la empresa Pinacho. En concreto, el modelo con el que se trabajará es un torno

Pinacho Mod. T3.

Figura 2.1 ̶ Torno Pinacho Mod. T3.

Fundada en 1946 y situada actualmente en Castejón del Puente (Huesca), Pinacho es una de las

principales fabricantes a nivel europeo de tornos paralelos convencionales y de control

numérico. Con unas instalaciones de más de 20.000 metros cuadrados y un equipo de 130

personas, la empresa posee una capacidad de producción de más de 3.000 unidades anuales.

Esto es posible gracias a que sus instalaciones disponen de un alto grado de automatización que

lo convierten en la empresa con el mayor ratio de productividad en el sector. El alto nivel

tecnológico del que dispone la convierten en referente de calidad y competitividad en el

mercado mundial.

2.1. Descripción de la máquina-herramienta

Un torno se emplea fundamentalmente para el mecanizado de piezas que presentan simetría de

revolución tales como bujes, ejes, tornillos o pasadores entre otros.

16 Torno Pinacho Mod. T3

Su funcionamiento es simple, la máquina hace girar la pieza mientras las herramientas de corte

arrancan viruta de esta gracias a un movimiento de avance con respecto a la pieza. Consta de un

carro que se mueve en la dirección axial de la pieza a mecanizar, denominado carro

longitudinal. Sobre este carro, se sitúa otro carro que se mueve en dirección radial a la pieza

denominado carro transversal. Por último, un tercer carro llamado charriot se coloca encima del

carro transversal con el que se pueden seleccionar distintos ángulos en la herramienta para la

fabricación de conos. Sobre el charriot va colocada la torreta en donde se fija la herramienta

empleada para el mecanizado.

Un torno convencional se compone principalmente de los siguientes elementos:

Bancada: es el componente sobre el que se apoyan el carro longitudinal y el contrapunto

y dispone de unas guías para que éstos se desplacen.

Carro longitudinal: se emplea para efectuar los desplazamientos de la herramienta en

dirección axial.

Figura 2.2 ̶ Carro longitudinal.

Carro transversal: mueve a la herramienta en dirección radial.


Figura 2.3 ̶ Carro Transversal.

Charriot: se coloca encima del carro transversal y tiene la propiedad de ser orientable

gracias a que dispone de una plataforma giratoria. Con ángulos distintos de cero grados

se emplea para la realización de conos. Sobre él, se coloca la torreta portaherramientas.

Torreta: es el elemento encargado de sujetar a la herramienta encargada de la

realización del mecanizado.

Figura 2.4 ̶ Charriot y torreta portaherramientas.

Cabezal fijo: está constituido por el motor, el husillo, el conjunto de selectores de

velocidades de giro y avance así como por los mecanismos que permiten el avance del

carro portátil y el giro de la pieza a mecanizar. Además, se utiliza como elemento de

sujeción de la pieza con la que se trabaja.


Figura 2.5 ̶ Cabezal fijo.

Contrapunto: tiene una doble utilidad, por un lado se emplea como soporte de piezas

cuyo mecanizado se realizará entre puntos y por otro lado, sirve para la colocación de

brocas que se emplean para hacer taladros. Se desplaza a lo largo de las guías que posee

la bancada para ajustarse a las dimensiones de la pieza a mecanizar.

Figura 2.6 ̶ Contrapunto.

Para la utilización de un torno, también es necesario disponer de una serie de accesorios o

elementos auxiliares entre los que se destaca el plato de tres garras, el punto y el perno de

arrastre.

Plato de tres garras: sujeta a la pieza y le transmite el movimiento de rotación axial

cuando se mecaniza con un montaje de tipo plato-punto.

Punto: existen diversos tipos de punto pero todos ellos sirven de apoyo de la pieza tanto

en el cabezal fijo como en el contrapunto.

Perno de arrastre: transmite el movimiento de rotación a la pieza cuando se dispone de

un montaje entre puntos.


Figura 2.7 ̶ Plato de tres garras, punto y perno de arrastre.

2.2. Operaciones y herramientas

Una vez conocidas las distintas partes de las que se compone el torno así como su

funcionamiento a grandes rasgos, se describen con un mayor grado de detalle las distintas

operaciones que es posible realizar con una máquina-herramienta de este tipo.

Cilindrado: es la operación a realizar si se desea obtener un cilindro de un determinado

diámetro. Para ello, se coloca el charriot que porta a la herramienta de forma paralela al

carro longitudinal y se selecciona una determinada profundidad de pasada mediante el

carro transversal. Una vez realizado lo anterior, se hace avanzar al carro principal en la

dirección axial una distancia adecuada según la longitud del cilindro a mecanizar.

Refrentado: consiste en mecanizar la pieza en su extremo en dirección radial. Para ello,

se hace avanzar el carro transversal manteniendo el carro longitudinal en una posición

fija. El objetivo es obtener una superficie totalmente lisa que facilite su acoplamiento en

un montaje posterior. La herramienta mostrada en la Figura 2.8 puede utilizarse para

realizar tanto cilindrados como refrentados.

Figura 2.8 ̶ Herramienta para cilindrar y refrentar.

Chaflanado: se emplea para suavizar los cantos de las piezas mecanizadas y así evitar

cortes durante la manipulación de las mismas. Para la realización de dicha operación, se

disponen de herramientas especialmente diseñadas para ello como la mostrada en la


Figura 2.9 que permiten realizar los chaflanes más convencionales tales como el de

1𝑥45°. Una alternativa en el caso de que no se posean las herramientas adecuadas es

realizar dicha operación girando la torreta un cierto ángulo y con una herramienta de

cilindrar.

Figura 2.9 ̶ Herramienta de chaflanado.

Taladrado: esta operación consiste en la realización de taladros en la dirección del eje

de giro de la pieza. Para ello, se coloca la broca correspondiente en el contrapunto y se

hace avanzar ésta en dirección axial gracias a la guía del contrapunto y de la manivela

correspondiente. Un ejemplo de broca se muestra en la Figura 2.10.

Figura 2.10 ̶ Herramienta de taladrado.

Fabricación de conos: para la mecanización de conos en tornos paralelos

convencionales se gira el charriot un ángulo igual al de inclinación. Se parte de un

cilindro igual al diámetro mayor del cono. En este momento, se coloca el carro con el

ángulo determinado y se dan sucesivas pasadas de desbaste y una final de acabado. La

pasada final se suele dar con un número de revoluciones alto y poca profundidad de

pasada, para obtener un afinado lo máximo perfecto.


Existen otros métodos para el torneado cónico como, por ejemplo, el desplazamiento

del contrapunto o el uso de aparatos especiales.

Ranurado: esta operación de mecanizado tiene como fin la elaboración de ranuras de un

ancho predefinido por la herramienta y profundidad variable en la pieza. Dichas ranuras

tienen múltiples utilidades como el alojamiento de juntas tóricas, arandelas o correas en

mecanismos de poleas.

Figura 2.11 ̶ Herramienta de ranurado.

Moleteado: es un proceso de conformado en frío en el que se deforma la superficie lisa

con unas moletas con el objetivo de conseguir una pieza más manipulable manualmente

evitando resbalamientos.

Otras operaciones de mecanizado que se pueden llevar a cabo con un torno son, por ejemplo, el

mecanizado de espirales, de excéntricas, el tronzado o el roscado en torno.

23

3. MODELADO Y SIMULACIÓN DE LA MÁQUINA-HERRAMIENTA

Para el modelado y simulación del torno Pinacho Mod. T3 se empleará fundamentalmente el

software de CAD 3D Catia V5 de la compañía Dassault Systèmes. Este permite cubrir la

totalidad del proceso de diseño mediante la creación de formas y el modelado de superficies

complejas que abarcan desde el diseño industrial a la clase A.

Por otro lado, Catia V5 ofrece herramientas de modelización 3D para el análisis del producto en

su entorno de funcionamiento, además de crear automatismos, posicionar componentes para la

comprobación de inconsistencias en sus dimensiones y diseñar esquemas de ensamblaje.

3.1. Módulos empleados

En el caso del presente proyecto se emplearán herramientas de diseño y ensamblaje de

componentes, mecanizado de piezas y simulación de máquinas-herramienta.

3.1.1. Módulos de diseño

En el modelado de la máquina-herramienta el primer paso es la toma de medidas mediante una

cinta métrica y un calibre o pie de rey. Una vez realizados los pertinentes bocetos acotados de

cada una de las piezas por separado, se dibujan y montan utilizando los diferentes módulos de

diseño en Catia V5. Los principales módulos empleados han sido Part Design, Assembly

Design, Drafting y Machine Tool Builder.

El primero de los módulos mencionados se emplea para la elaboración de la geometría deseada.

Posee diferentes herramientas tales como Pad, que permite extruir un sketch en una o dos

direcciones; Shaft, que revoluciona un determinado perfil plano dado el eje de revolución o rib,

que permite barrer un perfil a lo largo de una curva central para crear material, entre otros.

El módulo Assembly Design se usa una vez diseñadas todas las piezas por separado para

comprobar si existen inconsistencias en el diseño, por ejemplo, piezas que colisionan cuando

simplemente deberían estar en contacto. Para ello, se elaboran distintos archivos .CATproduct

en los que se comprueba que el movimiento relativo entre las distintas piezas es el adecuado.

En cuanto al módulo Drafting permite la elaboración de planos 2D de las piezas así como su

acotación. Se utiliza principalmente para la elaboración de los anexos en los se muestran las

dimensiones de cada una de las piezas, obtenidas manualmente mediante la cinta métrica y el

pie de rey.

Por último, el módulo Machine Tool Builder, se emplea para establecer como máquina un

conjunto ya montado. Se definen los datos cinemáticos de la máquina así como los atributos de

24 Modelado y simulación de la máquina-herramienta

ésta, por ejemplo, los puntos donde se coloca la pieza y la herramienta, los límites de viaje y las

velocidades y aceleraciones de los pares de la máquina.

3.1.2. Módulos de mecanizado

Puesto que el objetivo del proyecto es la simulación de un torno paralelo convencional se

estudia el módulo de mecanizado Lathe Machining. Mediante esta herramienta, se puede definir

un proceso de mecanizado para la fabricación de una pieza concreta estableciendo cada una de

las operaciones a efectuar, por ejemplo, taladrados, refrentados, cilindrados y chaflanados.

Ofrece multitud de posibilidades como la selección de la herramienta a emplear, la velocidad de

avance de la herramienta y la velocidad de rotación de la pieza a mecanizar.

3.1.3. Módulos de simulación

El módulo de simulación llamado Machine Tool Simulation también tiene una gran relevancia

en el presente proyecto puesto que permite aunar los resultados obtenidos anteriormente.

Elaborado el modelo del torno Pinacho Mod. T3 y un determinado proceso de mecanizado, esta

herramienta permite realizar simulaciones en las que se estudian las trayectorias, la existencia de

colisiones, errores en los límites de movimiento de la máquina, etc.

3.2. Modelado del torno Pinacho Mod. T3

Una vez descrita la máquina y las distintas herramientas con las que se trabaja, se presentan los

resultados obtenidos para el torno paralelo convencional Pinacho Mod. T3. El objetivo principal

de la sección es mostrar cómo se ha efectuado el modelado de la máquina para después aplicar

dicho modelo a la simulación del mecanizado de piezas.

Para la elaboración del torno empleando Catia V5, se ha optado por modelar cada una de las

principales piezas por separado para después agruparlas en pequeños conjuntos que se mueven

solidariamente. Estas entidades son la que se emplean como punto de partida para el modelado

como máquina-herramienta.

3.2.1. Componentes principales

Se distinguen cinco conjuntos principales formado cada uno por multitud de componentes. Son

los siguientes:

Armazón: está compuesto por la base, el cabezal fijo, la bancada, la caja de pasos y

avances y el soporte de barras.


Contrapunto: consta de tres partes fundamentales, el armazón del contrapunto, la guía,

en donde se coloca la herramienta o el punto dependiendo de la operación que se quiera

realizar, y la manivela encargada del movimiento de dicha guía.

Carro longitudinal: constituido por el carro longitudinal, el tablero delantal y la

manivela encargada de mover el carro transversal.

Carro transversal: se compone del carro transversal y de un par de piezas

correspondientes al charriot que se mantiene fijas al carro transversal durante el

mecanizado de una determinada pieza.

Charriot: es el conjunto formado por la parte superior del charriot con su

correspondiente manivela encargada de transmitir el movimiento de éste y la torreta

portaherramientas.

Se analiza en detalle cada una de las entidades mencionadas.

3.2.1.1. Armazón

Contiene a las piezas que se mantienen fijas cuando la máquina se encuentra en funcionamiento.

Puesto que se trata de un modelo y el nivel de detalle lo impone el autor, se decidió que, a

diferencia de lo que ocurre en la máquina real, las posiciones de las palancas fueran fijas y que

la barra cilindrar y el husillo de roscar no giraran sobre sí mismos a diferencia de lo que ocurre

en la máquina real. Esta decisión es perfectamente compatible con el objetivo del proyecto,

orientado a la simulación del mecanizado de piezas.

A continuación, se muestran cada una de las piezas por separado. Las dimensiones principales

de cada una de ellas vienen incluidas en los documentos anexos del proyecto.


Figura 3.1 ̶ Base.

Figura 3.2 ̶ Bancada y cabezal fijo.


Figura 3.3 ̶ Caja de pasos y avances.

Figura 3.4 ̶ Soporte de barras.

En cuanto a la posición relativa de cada una de las piezas, el cabezal fijo y la bancada,

modeladas como un sólo archivo .CATPart se apoyan sobre la base, colocándose a la distancia

indicada en la Figura 3.5. Por otro lado, el soporte de barras y la caja de pasos y avances se

encuentran en contacto directo con la bancada y el cabezal fijo, respectivamente. Las medidas

son tales que no hay colisiones entre los distintos componentes.


Figura 3.5 ̶ Armazón.

3.2.1.2. Contrapunto

El contrapunto se desplaza a lo largo de la bancada dependiendo de la operación que se quiera

llevar a cabo. Por ejemplo, si se realiza un taladrado, se coloca cerca de la pieza a mecanizar y

se obliga a que la guía del contrapunto, donde se coloca la herramienta, se desplace penetrando

en ella. Por otro lado, también puede equiparse con un punto para mecanizar con una mayor

precisión piezas de una considerable longitud, en cuyo caso también deberá colocarse cerca de

ésta. Para otras operaciones tales como el refrentado, no es necesario el contrapunto por lo que

este se coloca en alguna parte de la bancada en donde no interfiera con la operación que se lleva

a cabo.


Figura 3.6 ̶ Contrapunto.

Las Figuras 3.7, 3.8 y 3.9 muestran cada uno de los elementos que componen el contrapunto. Se

ha modelado la geometría exterior de cada uno de ellos pero no se ha realizado el acoplamiento

entre el avance de la guía del contrapunto y el movimiento de la manivela ya que, a pesar de

resultar estéticamente muy atractivo, no aporta nueva información para el estudio de colisiones

en el mecanizado e implica un consumo de tiempo excesivo. La posición de la palanca también

se mantiene fija a pesar de ser un componente móvil en el torno.


Figura 3.7 ̶ Armazón del contrapunto.

Figura 3.8 ̶ Manivela del contrapunto. Figura 3.9 ̶ Guía del contrapunto.

3.2.1.3. Carro longitudinal

Compuesto por tres archivos .CATPart, el carro longitudinal se modela acorde a las

dimensiones tomadas en el laboratorio y teniendo la precaución de que dichas dimensiones sean

acordes con las empleadas en el modelado de la bancada.


Figura 3.10 ̶ Carro longitudinal.

El tablero delantal se coloca en contacto con la parte inferior del carro y la manivela

concéntrica con el orificio de éste. No se modela el movimiento de las manivelas con el de los

carros debido a la escasa mejora de los resultados obtenidos.

Se puede observar cada una de las entidades por separado en las Figuras 3.11, 3.12 y 3.13. Las

principales dimensiones se incluyen en los planos aportados como anexo.


Figura 3.11 ̶ Guía longitudinal.

Figura 3.12 ̶ Tablero delantal.


Figura 3.13 ̶ Manivela encargada del movimiento del carro transversal.

3.2.1.4. Carro transversal

Al igual que en caso anterior, las dimensiones del carro transversal se toman de manera

minuciosa para evitar conflictos durante el montaje del conjunto completo. En este conjunto se

incluyen la parte inferior y central del charriot para facilitar la construcción como máquina.

Figura 3.14 ̶ Carro transversal.

Con el objetivo de modelar el posible movimiento del charriot para el mecanizado de conos se

introduce un parámetro que permite el giro entre la parte inferior del charriot y la placa cuadrada

que se coloca sobre el carro transversal. Como se verá en puntos posteriores, la introducción de


este parámetro sólo permite una visualización de dicho giro puesto que no ha sido posible

modelar correctamente el mecanizado de superficies cónicas.

En las Figuras 3.15, 3.16 y 3.17 se presentan cada una de las piezas por separado. Al igual que

en apartados anteriores, las dimensiones aparecen en los planos incluidos como anexo.

Figura 3.15 ̶ Guía transversal. Figura 3.16 ̶ Parte inferior del charriot.

Figura 3.17 ̶ Parte central del charriot.

3.2.1.5. Charriot

Para terminar con el conjunto de elementos que componen el torno Pinacho Mod. T3, las

Figuras 3.19, 3.20 y 3.21 muestran las piezas que componen el charriot. Por un lado, hay que

destacar que las dimensiones se han tomado con precaución para evitar colisiones. Por otro

lado, hay que señalar que no se ha modelado el movimiento de la manivela por las mismas

razones anteriormente mencionadas. La torreta portaherramientas, por su parte, se separará del

charriot a la hora de modelar como una máquina-herramienta ya que se permitirá un grado de

giro entre ambos.


Figura3.18 ̶ Charriot.

Figura 3.19 ̶ Parte superior del charriot. Figura 3.20 ̶ Torreta portaherramientas.

Figura 3.21 ̶ Manivela encargada del movimiento del charriot.


3.2.2. Análisis de colisiones

El siguiente paso en la elaboración del modelo de la máquina-herramienta es la unión de todos

los componentes principales de forma que posea los grados de libertad adecuados. Sin embargo,

antes de llevar a cabo la construcción como máquina se ha querido validar el modelo a través

del módulo Assembly Design de Catia V5. Para ello, todos los componentes han sido montados

en varias posiciones arbitrarias y se ha comprobado si existen colisiones mediante la

herramienta Clash. En un principio se obtienen dos colisiones, entre los carros longitudinal y

transversal y entre el carro transversal y el charriot, a pesar de poseer las mismas dimensiones la

zona de unión de ambas piezas. Para solucionar el problema se modifican las dimensiones de la

zona de contacto del carro transversal y de la parte inferior del charriot del orden de un

milímetro de forma que exista una mínima holgura que soluciona el problema de las colisiones.

Las dimensiones que aparecen en los anexos son las dimensiones definitivas.

3.2.3. Construcción de la máquina-herramienta

Modelados ya los diferentes componentes por separado es necesario ensamblar las partes y

otorgar al conjunto las propiedades adecuadas.

Será necesario crear un conjunto con propiedades de husillo (spindle) en donde se colocará la

pieza a mecanizar así como dos conjuntos con propiedades de torreta (turret) para simular que

la herramienta puede colocarse tanto en el charriot, para operaciones de cilindrado y refrentado,

como en el contrapunto, para operaciones de taladrado. Una vez definidas las entidades

anteriores se puede efectuar el montaje del conjunto completo y crear la máquina.

Se quiere destacar el hecho de que realizando la construcción del torno paralelo convencional

como se expone en adelante sólo permitirá modelar el funcionamiento de la máquina trabajando

en modo manual. Esto quiere decir que en una simulación el carro longitudinal permanece fijo y

la operación sería realizada a través del movimiento del carro transversal y del charriot. La

elaboración del modelo del torno funcionando en modo automático en el que el carro

longitudinal se mueve a lo largo de la bancada para el mecanizado de una pieza se plantea como

un posible trabajo futuro.

3.2.3.1. Husillo

El husillo modelado para la simulación del torno paralelo convencional es una representación

sencilla y tosca de la parte visible del husillo. El husillo real posee una complejidad mucho

mayor a la que aparece representada en la Figura 3.22.

El modelo seleccionado consta de dos partes, una parte fija y una móvil mostradas en azul y

verde, respectivamente. Además, debe modelarse con un único grado de libertad rotacional.


Figura 3.22 ̶ Husillo.

En primer lugar, se construyen ambos elementos y se posicionan correctamente en un único

archivo .CATProduct. Posteriormente, se crea el husillo mediante la opción New Spindle. Hecho

esto, se definen los distintos datos cinemáticos:

Se establece mediante el comando Fixed Part el elemento que constituirá la parte fija

del husillo.

Se introduce el grado de giro rotacional mediante el comando Cylindrical Joint.

Además, se define una tercera restricción entre las caras que se encuentran en contacto

mediante Planar Joint.

Para finalizar, se coloca el punto de montaje de la pieza mediante el comando Create Mount

Point. Los ejes se colocan como se muestran en la Figura 3.22, apuntado el eje z en la dirección

axial del elemento a mecanizar.


Figura 3.22 ̶ Colocación del punto de montaje de la pieza.

3.2.3.2. Carro principal

El carro principal consta del carro longitudinal, el carro transversal, el charriot y la torreta

portaherramientas. En este caso, la torreta debe modelarse con dos grados de libertad

traslacionales y un grado de libertad rotacional.

Figura 3.23 ̶ Carro principal.


Se colocan en único archivo .CATProduct las diferentes partes que componen el carro principal

y mediante el compás se colocan los elementos en la posición adecuada. Las coordenadas

exactas en las que se coloca cada uno de ellos se muestran en la Tabla 3.1.

X (mm) Y (mm) Z (mm)

Carro longitudinal 0 0 0

Carro transversal -30.458 -353 42

Charriot 403.406 -315.5 115.5

Torreta 103 -315.5 119.5

Tabla 3.1 ̶ Coordenadas del carro principal.

Una vez se tienen situados los componentes correctamente se puede crear la torreta mediante el

comando New Turret. Habrá ahora que definir los datos cinemáticos y los atributos relativos al

nuevo mecanismo.

Para establecer la cinemática del modelo:

Se fija el carro longitudinal como parte fija.

Se definen dos pares prismáticos mediante el comando Prismatic Joint. El primero de

ellos modela el movimiento del carro transversal a lo largo del longitudinal (eje x)

mientras que el segundo permite el movimiento del charriot sobre el carro transversal

(eje z).

Se permite el giro de la torreta con respecto al charriot mediante el comando Revolute

Joint.

Para completar el modelo se definen los atributos del mecanismo: puntos de montaje de la

herramienta, límites de viaje, Home Positions y punto de cambio de herramienta.

El punto de montaje de la herramienta creado a través del comando Create Mount Point se

coloca en el punto de coordenadas (53, -257.5, 150.5) con los ejes orientados según se muestra

en la Figura 3.24.


Figura 3.24 ̶ Punto de montaje de la herramienta en el carro principal.

Los límites de viaje que establecen cuánto se desplaza cada componente en un determinado

grado de libertad de movimiento se imponen mediante el comando Travel Limits. Es necesario

indicar un límite inferior y superior para que dichos límites queden completamente definidos.

Los valores seleccionados se obtienen de la máquina real del laboratorio mediante una cinta

métrica. Se muestran en la Tabla 3.2.

Límite inferior Límite superior

Eje X 0 mm 180 mm

Eje Z 0 mm 144 mm

Eje C -360˚ 360˚

Tabla 3.2 ̶ Límites de viaje del carro principal.

Las Home Positions y el punto de cambio de herramienta ha sido seleccionados arbitrariamente.

Como Home Positions se escoge la posición de coordenadas definidas en la Tabla 3.1 y otra

similar con la única diferencia de que la torreta está girada 45˚. Esta última, se elige como punto

de cambio de herramienta.

3.2.3.3. Contrapunto

La torreta encargada de realizar taladrados durante la simulación está compuesta por el armazón

del contrapunto y la guía en donde se coloca la herramienta. Para empezar, se introducen, al

igual que en casos anteriores, todos los componentes en un único archivo .CATProduct y con la

ayuda del compás se posicionan correctamente entre ellos. Las posiciones seleccionadas son:



Contrapunto 0 0 0

Guía contrapunto 360 29 110

Tabla 3.3 ̶ Coordenadas del contrapunto.

Mediante el comando New Turret se crea la torreta para continuar con la definición de los datos

cinemáticos y los atributos del mecanismo. En este caso, la torreta sólo tendrá un grado de

libertad traslacional en la dirección axial de la guía.

El punto de montaje de la herramienta se coloca en la posición y con la orientación mostradas

en la Figura 3.25.

Figura 3.25. Punto de montaje de la herramienta en el contrapunto.

El valor de los límites de viaje se mide con la ayuda de una cinta métrica en el torno paralelo

real disponible en el laboratorio obteniendo los resultados de la Tabla 3.4.


Eje Z -165 mm 0 mm

Tabla 3.4 ̶ Límites de viaje del contrapunto.

En este caso, la definición de las Home Positions son importantes puesto que se necesitarán

varias según se utilice el contrapunto como herramienta o como utillaje, por ejemplo, para el

mecanizado entre puntos. Distintas posiciones se muestran en la Figura 3.26.


Figura 3.26 ̶ Home positions.

Para finalizar, se establece la posición definida mediante las coordenadas de la Tabla 3.3 como

punto de cambio de herramienta.

3.2.3.4. Millturn machine

En último lugar, se deben unir las entidades definidas anteriormente junto con el armazón y

otorgarle las propiedades adecuadas al conjunto para terminar con la construcción del torno

Pinacho Mod. T3.

La posición de los distintos componentes se modifica utilizando el compás. Las coordenadas

que ocupa cada uno de ellos son


Armazón 0 0 0

Carro principal 1039 286.5 327

Husillo 315 152 477.5

Contrapunto 1283 123 367

Tabla 3.5 ̶ Coordenadas de la máquina-herramienta.

Una vez se tiene la configuración correcta se crea la máquina-herramienta mediante el comando

New MillTurn Machine. Añadiendo los datos cinemáticos y los atributos quedará finalizado el

modelo.


Figura 3.27 ̶ Torno Pinacho Mod. T3.

En este caso, se introducen dos pares prismáticos que permiten el desplazamiento del carro

principal y del contrapunto a lo largo de la bancada. Sus límites de viaje se definen en la Tabla

3.6.


Eje Z (Carro principal) -690 mm 0 mm

Eje Z (Contrapunto) -690 mm 0 mm

Tabla 3.6 ̶ Límites de viaje de la máquina-herramienta.

Se define el armazón como elemento fijo y varias Home Positions en las que el contrapunto y

el carro principal se encuentran en distintos puntos de la bancada según la operación de

mecanizado que se quiera realizar.

3.3. Simulación del torno Pinacho Mod. T3

Antes de mostrar diferentes ejemplos de mecanizado de piezas más complejas se ha querido

demostrar la validez del modelo. Para ello, se asigna el torno paralelo a un proceso de

mecanizado muy sencillo como es un taladrado y un refrentado y se comprueba tanto que

funciona como que no existen colisiones.


El proceso de simulación es sencillo, una vez se tiene el archivo .CATProcess se añade la

máquina mediante el comando Assign Machine From File. La pieza y la máquina no están

colocadas en la posición correcta pero mediante la opción Workpiece Automatic Mount el origen

de la pieza se situará en el punto de amarre de la pieza.

El siguiente paso será colocar los ejes de mecanizado con la orientación correcta. Se tienen tres

sistemas de ejes coordenados, uno de ellos asociado a la pieza que se va a mecanizar y dos

asociados a cada una de las torretas. El primero de ellos se orienta con el eje z en la dirección

axial y el eje x en la dirección radial. Los sistemas de ejes ligado a las torretas se sitúan con el

eje z en la dirección radial de la pieza y el eje x en la dirección axial. El sentido de los ejes se

muestran en las Figuras 3.28 y 3.29.

Figura 3.28 ̶ Ejes de mecanizado asociados a la pieza.


Figura 3.29 ̶ Ejes de mecanizado asociados a las torretas.

Realizado todo lo anterior, el conjunto está preparado para simular una operación de

mecanizado.

El análisis de colisiones se puede efectuar mediante el comando Clash. Puesto que se han

tomado las medidas con precisión y se ha tenido presente en todo momento el problema de las

colisiones, estas últimas no se han dado en la simulación.

3.4. Limitaciones del modelo

La simulación de la máquina-herramienta ha sido, sin ninguna duda, el cuello de botella del

proyecto. Esto es debido principalmente a la falta de información disponible que ha obligado a

utilizar un sistema de prueba y error para encontrar con una solución válida.

El modelo posee multitud de limitaciones debido al hecho de que la máquina a simular se trata

de un torno manual y Catia V5 es una herramienta CAD/CAM orientada a la simulación de

máquinas-herramienta de control numérico por lo que en ocasiones, el modelo presenta

comportamientos durante la simulación que no son propios de un torno manual. La principal

causa de estos comportamientos anómalos es el hecho de que Catia V5 no es la herramienta

óptima para realizar este tipo de simulaciones.

Se destacan tres limitaciones fundamentales:


Imposibilidad de modificar el punto en el que se encuentra el carro principal y el

contrapunto a lo largo de la bancada para una simulación concreta.

Imposibilidad de seleccionar dos puntos de montaje de herramientas.

Fabricación de conos.

La primera de las limitaciones, es una opción que permite Catia V5 mediante el comando

Machine Instruction. Para el caso de una máquina de tres ejes, el comando anterior permite

seleccionar para cada uno de los ejes de la máquina una posición determinada antes o después

de una operación de mecanizado lo que proporciona una gran versatilidad.

Sin embargo, para el caso de un torno paralelo convencional, en el que hay que crear el husillo y

varias torretas, dicha opción aparece limitada y sólo permite seleccionar posiciones para las

torretas y el husillo pero no para la máquina-herramienta. Por esta razón, tal y como se dijo

anteriormente, el torno sólo puede simular movimientos en modo manual en el que el

desplazamiento en la dirección longitudinal lo realiza el charriot.

La segunda limitación surge durante la creación de varios ejemplos de mecanizado de piezas.

En uno de ellos, hay que realizar una operación de mandrinado en la que la herramienta se

coloca girada 90˚ con respecto a su posición habitual. Por esta razón, se intentó crear un nuevo

punto de montaje de herramienta en el que ésta estuviera girada 90˚ con respecto a la situación

habitual de los ejes. Desafortunadamente, la creación de este nuevo punto generaba un

comportamiento anómalo de la máquina durante las simulaciones. Por ello, se tomó como

solución de compromiso la modificación manual de dicho punto que consiste en girar los ejes

90˚ con respecto a su posición predeterminada.

La última y posiblemente más importante de las limitaciones es la imposibilidad de simular el

movimiento real de la máquina durante la fabricación de un cono. Esto, tal y como se dijo

anteriormente, es debido a que Catia V5 simula los movimientos del torno manual como si se

tratara de una máquina de control numérico por lo que realiza movimientos imposibles en la

realidad.

Para llevar a cabo el mecanizado de un cono, el charriot se coloca formando el ángulo necesario

con respecto a la dirección de la bancada. Con el charriot en dicha posición, se hace avanzar a la

herramienta mediante el movimiento de la manivela del charriot. La Figura 3.30 ilustra la

colocación de los distintos elementos.


Figura 3.30 ̶ Posición relativa del charriot durante el mecanizado de conos.

Sin embargo, al intentar simular este movimiento, Catia V5 interpreta que la máquina es de

control numérico y puede moverse en la dirección longitudinal y transversal a la vez por lo que

genera un movimiento imposible de realizar en la máquina real.

Se ha intentado dar solución a este problema generando diversos modelos alternativos y

examinando mediante el método de prueba y error. A pesar de que ninguno de ellos ha sido

capaz de solucionar el problema planteado, se explicarán en detalle para que sirvan como punto

de partida a posibles líneas de investigación futuras.

La primera de las alternativas estudiadas ha sido modificar el giro de la torreta con respecto al

charriot por el giro del charriot con respecto al carro transversal. Esta alternativa no permitía la

simulación de la máquina, posiblemente debido a que el movimiento del charriot no era en una

dirección fija ya que éste podía girar con respecto al carro transversal y esto genera algún tipo

de conflicto en Catia V5.

La segunda de las alternativas estudiadas fue generar un modelo en el que los dos grados de

libertad de la máquina no estuvieran perpendiculares, de esta manera se fija con un parámetro la

posición del charriot con respecto al carro transversal y se permite el giro de la torreta con

respecto al charriot. Al igual que en el caso anterior, no se ha conseguido generar una correcta

simulación con este modelo.

La última alternativa estudiada fue incluir a la bancada como parte de la torreta e introducir un

grado de movimiento adicional. Por otro lado, se permite el giro entre el charriot y el carro


transversal en lugar del giro de la torreta con respecto al charriot. No es posible simular este

modelo, posiblemente debido al hecho de que hay más grados de libertad de los que permite

Catia V5.

Tal y como se dijo anteriormente, a pesar de que ninguno de los modelos anteriores funcionara,

toda la información extraída de ellos puede ser utilizada como punto de partida para futuras

líneas de investigación y optimización del modelo.

49

4. MODELADO Y SIMULACIÓN DE OPERACIONES DE TORNEADO

El objetivo de este capítulo es la elaboración del mecanizado de piezas que servirán como

ejemplo. Se detallará para cada una de las piezas las distintas fases, operaciones, herramientas y

se apoyará con material gráfico extraído de Catia V5 que facilite la comprensión al lector. Las

piezas a mecanizar serán cuatro, seleccionadas con la intención de mostrar un amplio abanico de

operaciones durante su fabricación.

En lo que sigue se hablará de fases y operaciones por lo que se quiere aclarar en primer lugar la

diferencia entre ambos términos. Mientras que una operación consiste en la ejecución de una

sola actividad, una fase incluye todas las operaciones en las que la posición de la pieza y el

utillaje no se modifica.

A continuación se exponen todos y cada uno de los ejemplos seleccionados.

4.1. Aplicación práctica 1: torneado de cilindros concéntricos

La primera de las piezas a mecanizar es la más simple de todas, puesto que se ha utilizado para

investigar la multitud de comandos disponibles en Catia V5 en el entorno del mecanizado

mediante tornos. Una representación tridimensional de la pieza así como un sus vistas acotadas

se muestran en las figuras 4.1 y 4.2.

Figura 4.1 ̶ Pieza 1. Figura 4.2 ̶ Dimensiones de la pieza 1.

El mecanizado de la pieza se realiza en cuatro fases, cada una de ellas con múltiples operaciones

en las que se emplearán ambas torretas, tanto el carro principal como el contrapunto. Las dos

primeras fases tienen como objetivo disminuir la longitud de la preforma para que tenga una

longitud igual a la de la pieza final así como elaborar un par de avellanados que se utilizarán

para posteriormente montar al elemento entre puntos y efectuar la mayor parte del mecanizado.

50 Modelado y simulación de operaciones de torneado

La preforma utilizada para su fabricación tiene unas dimensiones de 130 mm de longitud y 50

mm de diámetro por lo que será necesario disminuir la longitud de la preforma en 5 mm.

4.1.1. Fase 1

Esta fase se compone de dos operaciones simples. En primer lugar se realizará el refrentado de

una cara para limpiar la superficie y posteriormente un avellanado a 60 𝑥 ∅ 5. La ejecución de

ambas operaciones se realizará con la preforma montada sobre el plato de tres garras tal y como

se muestra en la Figura 4.3.

Figura 4.3 ̶ Montaje correspondiente a la fase 1.

Para la ejecución del refrentado se empleará la herramienta mostrada en la figura 4.4 con una

placa de forma cuadrada.

Figura 4.4 ̶ Herramienta de refrentar.


Por otro lado, el avellanado se realiza empleado una broca cuya geometría y dimensiones

pueden observarse en la Figura 4.5.

Figura 4.5 ̶ Herramienta de avellanar.

Al finalizar la fase 1, la geometría de la pieza es muy similar a la preforma que se tenía aunque

ahora es ligeramente más corta y tiene un avellanado.

Figura 4.6 ̶ Geometría tras la fase 1.

4.1.2. Fase 2

A continuación se gira la pieza 180˚ y se monta de nuevo sobre el plato de tres garras para

efectuar el refrentado y avellanado a 60 𝑥 ∅ 5 de la otra cara.



Las herramientas utilizadas son las mismas empleadas en la fase 1 puesto que se realizan

exactamente las mismas operaciones. El elemento tendrá la longitud adecuada tras las

operaciones realizadas en esta fase además de dos avellanados que permitirán realizar el

montaje entre puntos.

La figura 4.8 muestra un instante de la simulación de la operación de refrentado.

Figura 4.8 ̶ Refrentado realizado durante la fase 2.


4.1.3. Fase 3

Es importante en la elaboración de la pieza que los cilindros tengan el mismo eje, es decir, que

sean totalmente concéntricos por lo que su ejecución se hace sobre un montaje entre puntos. Si

se fabricara la pieza con otro tipo de montaje, por ejemplo, entre plato y punto y el plato

estuviera ligeramente excéntrico, se obtendrían mayores errores de excentricidad que utilizando

el montaje entre puntos. De esta manera, se introducen dos nuevos elementos que forman parte

del utillaje.

Figura 4.9 ̶ Puntos empleados para el montaje de la fase 3.

Se quiere destacar el hecho de que no se ha representado el perno de arrastre que transmite el

movimiento de rotación a la pieza cuando se dispone del montaje entre puntos, pero se ha tenido

en cuenta en la selección de las distintas operaciones.

El montaje en la tercera de las fases es como se muestra en la Figura 4.10.


Las operaciones que se efectúan en esta fase son todas operaciones de cilindrado en las que se

emplea la herramienta mostrada anteriormente en la Figura 4.4, también empleando una placa

cuadrada para el corte.


Dichas operaciones son dos:

Un cilindrado en desbaste a ∅ 41 𝑥 100.

Un cilindrado en acabado a ∅ 40 𝑥 60.

Una instantánea de la simulación se muestra en la Figura 4.11.

Figura 4.11 ̶ Cilindrado realizado durante la fase 3.

Una vez efectuada las operaciones pertinentes, la preforma posee la geometría mostrada en la

figura 4.12.



4.1.4. Fase 4

Tal y como se ha mencionado anteriormente, la última de las fases también se realiza con la

pieza montada entre puntos. La única diferencia es que se ha invertido la cogida quedando

según se muestra en la figura 4.13.


En este caso, se tienen que efectuar cuatro cilindrados tras los cuales quedaría finalizado el

mecanizado de la pieza. Se detallan a continuación:

Cilindrado en desbaste a ∅ 31 𝑥 68.5.


Cilindrado en acabado a ∅ 30 𝑥 27.


Un instante de la simulación se muestra en la figura 4.14.


Figura 4.14 ̶ Cilindrado durante la fase 4.

4.1.5. Cuadro resumen

A continuación se presenta un cuadro resumen de las operaciones y las fases a realizar que

serviría de ayuda en caso de querer mecanizar la pieza.

Fase Operación Designación Torreta Montaje

1 1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal

Plato 2 Avellanado a 60 x ∅ 5 Contrapunto

2 1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal

Plato 2 Avellanado a 60 x ∅ 5 Contrapunto

3 1 Cilindrado en desbaste a ∅ 41 x 100 Carro principal

Entre puntos 2 Cilindrado en acabado a ∅ 40 x 60 Carro principal

4

1 Cilindrado en desbaste a ∅ 31 x 68.5 Carro principal

Entre puntos 2 Cilindrado en desbaste a ∅ 21 x 41.5 Carro principal

3 Cilindrado en acabado a ∅ 30 x 27 Carro principal


Tabla 4.1 ̶ Cuadro resumen del mecanizado de la pieza 1.


4.2. Aplicación práctica 2: ranurado y torneado cónico

La segunda pieza que se elabora en este capítulo de aplicaciones del modelo creado tiene como

objeto presentar tres operaciones de mecanizado que aún no han sido mostradas en una

simulación: el ranurado, el chaflanado y la fabricación de conos.

Uno de los puntos a destacar aquí, tal y como se ha explicado en profundidad en apartados

anteriores, es la imposibilidad de simular correctamente la fabricación de conos tal y como se

haría con una máquina-herramienta manual. Ante esta tesitura, se ha optado por presentar los

resultados obtenidos con el modelo con el que se ha trabajado a pesar de que éstos se desvían de

lo observado en realidad.

Tal y como se ha hecho anteriormente, se comienza mostrando la pieza a mecanizar y sus

dimensiones en las Figuras 4.15 y 4.16.


Se fabrica en dos fases, cada una de ellas con multitud de operaciones y herramientas que se

detallan a continuación. La preforma empleada es un cilindro macizo de 105 mm de longitud y

38 mm de diámetro.

4.2.1. Fase 1

La primera fase se lleva a cabo con la pieza montada en el plato de sujeción tal y como se

observa en la Figura 4.17.



Se comienza realizando un refrentado con el objetivo de limpiar la superficie. Para ello, se

emplea la herramienta que ya ha sido empleada en la anterior aplicación práctica para realizar la

misma operación (Figura 4.4). Al igual que en el primer caso, se utiliza una placa cuadrada para

reducir en 2,5 mm la longitud total de la preforma.

Una vez que la superficie está limpia, se efectúan una serie de cilindrados en desbaste y en

acabado empleando la misma herramienta. Estas operaciones se detallan a continuación:

Cilindrado en desbaste a ∅ 26 𝑥 39.

Cilindrado en desbaste a ∅ 37 𝑥 15.


Un instante de la simulación durante la primera de las tres operaciones se muestra en la Figura

4.18.

Figura 4.18 ̶ Cilindrado durante la fase 1.


La siguiente operación a realizar en esta primera fase es el ranurado de 2 mm que posee la pieza

para lo cual es necesario cambiar de herramienta. Dicha herramienta utilizada es una cuchilla de

tronzar que corta únicamente por su frente. La geometría de esta nueva herramienta se observa

en la Figura 4.19.

Figura 4.19 ̶ Herramienta de ranurar.

Para la realización de la ranura se utiliza una placa de forma trapezoidal cuya base mayor, que

es la zona de corte, mide 2 mm al igual que la ranura a mecanizar. En Catia V5, se obtiene la

siguiente simulación del proceso.

Figura 4.20 ̶ Ranurado durante la fase 1.

Por último, antes de modificar la disposición de la pieza se realiza el chaflán de 2x45˚. Para ello

se emplea una nueva herramienta con un ángulo igual al del chaflán que se pretende realizar.


Figura 4.21 ̶ Herramienta de hacer chaflanes.

En este caso, la placa de corte que se coloca en la herramienta también es cuadrada pero estará

inclinada con respecto a la pieza un ángulo de 45˚ como se puede comprobar durante la

simulación.

Figura 4.22 ̶ Chaflanado durante la fase 1.

Tras finalizar la fase 1, la preforma tiene una geometría como la que se muestra en la Figura

4.23.



4.2.2. Fase 2

A continuación, se invierte la pieza y se coge por la zona ya mecanizada, como se muestra en la

Figura 4.24.


En esta segunda y última fase se debe refrentar y cilindrar la pieza, así como mecanizar el cono

y el chaflán correspondiente. Se empieza, como en ocasiones anteriores, refrentando a medida

para tener una longitud total de la pieza igual a 100 mm. Para ello, se emplea la herramienta

anteriormente mostrada en la Figura 4.4. Esta es la herramienta que se empleará también para

hacer los cilindrados y el mecanizado del cono.

Una vez se cilindra en desbaste a ∅ 21 𝑥 19, se desbasta el cono. Es aquí donde surge el

problema en la simulación tal y como se ha explicado en capítulos anteriores. La máquina se

mueve simultáneamente en dirección longitudinal y transversal, no correspondiendo al


movimiento real de la máquina. Puesto que el problema ya ha sido analizado anteriormente, se

continua explicando el proceso de fabricación de la pieza sin entrar en detalle en la operación.

Un instante de la simulación en la que se puede observar la disposición errónea de la máquina se

muestra en la Figura 4.25.

Figura 4.25 ̶ Desbaste de cono durante la fase 2.

Desbastado el cono, se llevan a cabo el siguiente conjunto de operaciones que permiten dejar la

pieza casi finalizada:

Cilindrado en acabado a ∅ 35 𝑥 10 (Figura 4.26).


Mecanizado en acabado del cono.


Figura 4.26 ̶ Cilindrado en acabado durante la fase 2.


El mecanizado termina con la realización del segundo chaflán para lo que se emplea la misma

herramienta utilizada en la fase 1.


Con el objetivo de ofrecer una imagen global del proceso, se aúna todo lo descrito anteriormente

en un cuadro resumen.


1

1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal

Plato

2 Cilindrado en desbaste a ∅ 26 x 39 Carro principal



5 Ranurado de 2 mm Carro principal

6 Chaflanado de 2 x 45˚ Carro principal

2

1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal

Plato


3 Desbaste de cono Carro principal

4 Terminar a ∅ 35 x 10 Carro principal

5 Cilindrado en desbaste a ∅ 17 x 19.5 Carro principal

6 Terminar cono Carro principal


8 Chaflanado de 2 x 45˚ Carro principal


4.3. Aplicación práctica 3: mandrinado de cilindros concéntricos

La tercera pieza en estudio tiene como objetivo introducir una nueva operación de mecanizado

que no se ha estudiado aún: el mandrinado. Esta operación se utiliza para obtener una mayor

precisión dimensional o geométrica, una menor rugosidad o para aumentar el diámetro de

agujeros ya realizados mediante un taladro. La Figura 4.27 es un claro ejemplo de una

herramienta utilizada para mandrinar.


Figura 4.27 ̶ Herramienta de mandrinado.

Las limitaciones de la operación de mandrinado las imponen la rigidez de la pieza así como el

voladizo que puede tener la herramienta cuando está montada en la torreta que se debe procurar

que sea lo menor posible para evitar vibraciones que perjudiquen a la calidad de la pieza.

También se simulará un taladrado y un escariado que no introducen muchos elementos

novedosos en cuanto a simulación pero sí en cuanto a variedad de herramientas disponibles en

Catia V5.

La pieza que se mecaniza así como sus dimensiones se muestran en la Figuras 4.28 y 4.29.


En este caso el mecanizado se realiza en una sola fase en la que se emplean ambas torretas para

obtener la geometría deseada. La preforma utilizada en este caso será un cilindro macizo de 80

mm de longitud y 100 mm de diámetro.


4.3.1. Fase 1

La pieza se monta en el plato de sujeción para llevar a cabo el mecanizado tal y como se

muestra en la Figura 4.30. Para la simulación se utilizan dos Part Operation distintos a pesar de

trabajar con un único montaje. Esto es debido a que se trabaja en primer lugar con el

contrapunto como torreta y posteriormente con el carro principal.


En primer lugar se efectúan las operaciones de taladrado y escariado. Las herramientas

utilizadas se muestran en las Figuras 4.31 y 4.32, con sus respectivas dimensiones más

relevantes referenciadas en la Tabla 4.3.

Figura 4.31 ̶ Herramienta de taladrar. Figura 4.32 ̶ Herramienta de escariar.


Taladrado Escariado

Diámetro nominal (mm) 19.75 20

Longitud total (mm) 200 200

Longitud de corte (mm) 100 100

Diámetro de la herramienta (mm) 25 25

Tabla 4.3 ̶ Características geométricas de las herramientas de corte.

Una instantánea de la simulación de la simulación se presenta en la Figura 4.33.

Figura 4.33 ̶ Taladrado durante la fase 1.

Una vez efectuadas ambas operaciones, es posible realizar el mandrinado puesto que existe un

taladro previo en donde introducir la herramienta de corte tal y como se comprueba en la Figura

4.34.

Figura 4.34 ̶ Geometría tras el taladrado y el escariado.


El mandrinado se realiza en varias operaciones que pueden dividirse en varios bloques.

Bloque 1

o Mandrinado en desbaste a ∅ 39 𝑥 60.

o Mandrinado lateral en acabado a ∅ 40 𝑥 60.

o Mandrinado frontal en acabado de la cara interior.

Bloque 2




Bloque 3




La Figura 4.35 muestra la evolución hasta la geometría final.

Figura 4.35 ̶ Evolución de la geometría durante el mecanizado.

Un instante de la simulación se observa en la Figura 4.36.

Figura 4.37 ̶ Mandrinado durante la fase 2.



Tal y como se ha realizado anteriormente, se ha elaborado un cuadro resumen del proceso de

mecanizado en el que se presenta las distintas operaciones realizadas en el orden

correspondiente.


1

1 Taladrado a 80 x ∅ 19.75 Contrapunto

Plato

2 Escariado a 80 x ∅ 20 Contrapunto

3 Mandrinado en desbaste a ∅ 39 x 60 Carro

Principal

4 Mandrinado lateral en acabado a ∅ 40 x 60 Carro

Principal

5 Mandrinado frontal en acabado de la cara

interior Carro

Principal


Principal


Principal


interior Carro

Principal


Principal


Principal


interior Carro

Principal


4.4. Aplicación práctica 4: torneado de forma

Para finalizar con el capítulo de aplicaciones se elabora un cuarto ejemplo en el que se introduce

como novedad la operación de redondeo. Por otro lado, se realizarán de nuevo un par de

ranurados de mayor anchura que el realizado en el ejemplo 2.

Para la elaboración de redondeos, en el laboratorio se emplean una serie de herramientas con

una forma predeterminada y se reproduce dicha forma en la pieza a mecanizar. Algunos

ejemplos de este tipo de herramientas se observan en la Figura 4.38.


Figura 4.38 ̶ Herramientas de forma.

La pieza a mecanizar así como sus dimensiones se muestran en las Figuras 4.39 y 4.40.


El mecanizado se realiza en cuatro fases en las que se combina el montaje de la pieza en el plato

de sujeción con el montaje entre puntos. El material empleado como preforma posee geometría

cilíndrica con unas dimensiones de 34 mm de diámetro y 115 mm de longitud.

4.4.1. Fase 1

Al igual que en el ejemplo 1, el objetivo de las fases 1 y 2 son la preparación de la preforma

para el mecanizado. Para ello, en esta primera fase se realiza un refrentado para limpiar la

superficie y a continuación un avellanado 60 𝑥 ∅ 5. Para efectuar ambas operaciones, la

preforma se encontrará montada sobre el plato de tres garras como aparece en la Figura 4.41.



Las herramientas empleadas para la ejecución de ambas operaciones son las de la Figura 4.4 y

4.5. Puesto que ambas operaciones se han realizado en varias ocasiones a lo largo de los

ejemplos anteriores, no se tratará con detalle en esta ocasión.

4.4.2. Fase 2

Al comienzo de esta fase, se parte de una preforma ligeramente más corta que la pieza original y

con el correspondiente avellanado en una de las caras para la posterior sujeción entre puntos. En

esta fase, se invierte la pieza y al igual que en la fase 1, se refrenta para obtener la longitud

adecuada y se hace el centro. Puesto que la pieza es simétrica, el montaje es muy similar al de la

Figura 4.41 y las herramientas son las mismas.

Al finalizar las operaciones correspondientes a esta fase, la preforma está preparada para ser

colocada entre puntos y realizar el grueso de las operaciones que transformarán la preforma en

la pieza final.

Figura 4.42 ̶ Preforma tras la fase 2.


4.4.3. Fase 3

Puesto que en la elaboración de la pieza es importante que los cilindros tengan el mismo eje se

hace sobre un montaje entre puntos. La figura 4.43 muestra el montaje realizado para la tercera

de las fases.


En primer lugar, se llevan a cabo tres cilindrados. El primero de ellos es en desbaste a ∅ 31 x60

para disminuir el diámetro de la pieza. Posteriormente, se cilindra en desbaste a ∅ 17 x 25 y en

acabado a ∅ 16 x 25.

Una vez realizado lo anterior, se efectúa el redondeo de radio 5 mm. Para ello se emplea la

herramienta mostrada en la Figura 4.44 con una placa circular de 10 mm de diámetro. La

aproximación de la herramienta será frontal y en dos pasadas.

Figura 4.44 ̶ Herramienta para redondear.


La Figura 4.45 muestra cómo se simula en Catia V5 dicho momento.

Figura 4.45 ̶ Redondeo durante la fase 3.

Para finalizar con las operaciones correspondientes a la fase 3 se realiza un cilindrado en

acabado a ∅ 30 x 30 y un ranurado de 5 mm de espesor. Para la realización del cilindrado se

emplea la herramienta utilizada en ocasiones anteriores (Figura 4.4) y para el mecanizado de la

ranura se emplea una herramienta de tronzar. La geometría es similar a la empleada para el

ranurado de la ocasión anterior, pero como en este caso la ranura tiene una anchura mayor, la

herramienta también es más ancha (Figura 4.46) y lo mismo ocurre con la placa de corte que

posee 3 mm en la zona de corte.


Figura 4.46 ̶ Herramienta de ranurar.

El instante de la simulación en el que se efectúa el ranurado se muestra en la Figura 4.47

Figura 4.47 ̶ Ranurado durante la fase 3.

4.4.4. Fase 4

Concluido el conjunto de operaciones correspondiente a la fase 3, el cilindro macizo inicial

posee la forma de la Figura 4.48.



Puesto que la pieza es simétrica, las operaciones de mecanizado que se llevarán a cabo en esta

fase son muy similares a las de la fase 3. Sin embargo, los cilindrados serán de una menor

longitud ya que parte del trabajo de desbaste se ha realizado en la fase anterior.

El montaje correspondiente a la fase 4 es entre puntos, al igual que en el caso anterior.


A continuación se lista la secuencia de operaciones a realizar

Cilindrado en desbaste a ∅ 31 x 40.

Cilindrado en desbaste a ∅ 17 x 25.

Cilindrado en acabado a ∅ 16 x 25.

Redondeo de 5 mm de radio.


Cilindrado en acabado a ∅ 30 x 20.

Ranurado de 5 mm.

La metodología y herramientas empleadas son idénticas a las de la fase 3 por lo que se no

volverán a estudiar.


Para finalizar con este capítulo de aplicaciones, la Tabla 4.5 presenta de forma esquemática la

secuencia de operaciones que se debe realizar para el mecanizado de la pieza.


1

1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal Plato

2 Avellanado a 60 x ∅ 5 Contrapunto

2

1 Refrentado de una cara a 2.5 mm Carro principal Plato

2 Avellanado a 60 x ∅ 5 Contrapunto

3


Entre puntos



4 Redondeo de 5 mm de radio Carro principal



4


Entre puntos



4 Redondeo de 5 mm de radio Carro principal




77

5. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS

En este proyecto se ha desarrollado el modelado y la simulación de un torno paralelo

convencional mediante el programa Catia V5. Se presentan a continuación las principales

conclusiones obtenidas y se proponen algunos trabajos futuros que se derivan de éste.

5.1. Conclusiones

El primero de los objetivos planteados era el modelado completo del torno Pinacho modelo T3

incluyendo todos sus componentes y movimientos principales. El modelo obtenido cumple con

los requisitos establecidos ya que permite simular el comportamiento real del torno. El carro

principal, el charriot, el contrapunto y la guía del contrapunto se pueden desplazar

longitudinalmente. Además, el carro transversal permite realizar movimientos en la dirección

radial. Sin embargo, cabe decir que no se ha podido simular el movimiento del charriot al

girarlo un cierto ángulo sobre el carro principal para el mecanizado de conos. La causa, como se

ha indicado a lo largo del presente proyecto, es que Catia V5 es un programa empleado para la

simulación de máquinas-herramienta de control numérico y no tornos paralelos convencionales

por lo que existen ciertas limitaciones cuando se emplea con estos fines.

Existen puntos en el diseño en los que no se han centrado esfuerzos como son el modelado de

los mecanismos internos de la máquina o en la simulación del movimiento de las manivelas y

palancas con el movimiento del torno. Esto se ha debido a que dichas cuestiones no aportan

mejoras significativas al modelo existente.

En referencia al segundo y tercer objetivo del proyecto, que consistían en simular el mecanizado

de piezas reales y analizar los resultados obtenidos comparándolos con los procedimientos

reales, se pueden destacar varios puntos. Se ha conseguido que el torno virtual realice multitud

de operaciones de mecanizado tales con un refrentado, un cilindrado, un ranurado o un

chaflanado, entre otros, pero como consecuencia de que no se puede modelar el movimiento de

giro del charriot, no se ha podido simular el mecanizado de conos tal y como se hacen en el

torno real.

Finalmente, destaca como una de las conclusiones más importantes del proyecto el gran

potencial de la herramienta generada. El hecho de poseer un modelo para el torno paralelo

convencional como el que se ha obtenido ofrece multitud de posibilidades ya que permite

analizar si es posible realizar el mecanizado de una determinada pieza mediante dicha máquina-

herramienta. Es una herramienta de gran utilidad para realizar estudios de colisiones y

optimización de trayectorias de la máquina que permitirán invertir un menor tiempo en el

torneado de piezas en el caso de ratios de fabricación elevados.

78 Conclusiones y trabajos futuros

Con el fin de completar el último de los objetivos, se ha generado una serie de anexos de

mecanizado en los que se detalla el proceso real de torneado de cada una de las piezas con

material extraído de las simulaciones que podrán ser empleado en la docencia del Departamento

de Ingeniería Mecánica y Fabricación. Tal y como se planteaba en los objetivos, dicho material

no se ha visto afectado por las limitaciones del modelo y se ajusta al proceso real de

mecanizado.

5.2. Trabajos futuros

Entre las posibles líneas de investigación futuras que podrían abordarse a partir de este

proyecto, las más importantes son aquellas que tienen como objeto solucionar los problemas

actuales que presenta el modelo del torno. Por lo tanto, habría que estudiar cómo es posible que

la máquina realizara correctamente el mecanizado de conos, cómo modificar la posición de las

torretas durante una simulación o cómo realizar mandrinados y cilindrados sin necesidad de

realizar cambio alguno en el modelo. Esta línea de trabajo queda justificada en el caso de que se

pretenda utilizar el modelo para un estudio profundo de colisiones y trayectorias óptimas en el

mecanizado de piezas reales ya que se necesita que éste se ajuste completamente a la realidad.

Por otro lado, se plantea la posibilidad de extrapolar el estudio realizado a otras máquinas de

control manual existentes en el taller del departamento tales como la fresadora universal.

Asimismo, se quiere realizar una propuesta de cómo podría utilizar el departamento toda la

documentación multimedia generada en el proyecto para la docencia. Puesto que mucha de la

información está en formato página web, sería útil que los estudiantes tuvieran acceso a ella y

pudieran leer el material y observar las simulaciones previa a la visita del taller para un mejor

aprovechamiento de las prácticas de laboratorio.

79

Bibliografía

[1] José Agustín Rivas Claro. (2007). Modelado y estudio de máquinas-herramienta. Proyecto

fin de carrera. Escuela Técnica Superior de Ingenieros. Universidad de Sevilla.

[2] Dassault Systèmes. (n.d.). Catia Documentation Version 5 Release 19. Obtenida el 21 de

Octubre de 2013, de http://www.maruf.ca/files/catiahelp/CATIA_P3_default.htm.

[3] Metosa-Pinacho. (n.d.). Manual de instrucciones Torno Pinacho modelo T3.

[4] Departamento de Ingeniería Mecánica y Fabricación. (1980). Prácticas de Tecnología

Mecánica (Torno). Sevilla.

81

Anexos

La documentación que se aporta como anexo al proyecto es:

1. Anexos de mecanizado de las cuatro piezas elaboradas como ejemplo. Se adjuntan en

formato impreso y electrónico.

2. Planos de cada una de las piezas de las que se compone el modelo realizado de la máquina-

herramienta. Los diferentes planos se adjuntan en formato electrónico.

3. Toda la documentación generada empleando Catia V5 a partir de la cual se ha elaborado la

memoria del proyecto.

La documentación proporcionada en formato digital se organiza de la siguiente forma:

a) Carpeta Parts en donde se incluye cada una de las partes del torno modeladas por

separado.

b) Carpeta Millturn Machine que contiene los archivos correspondientes al modelo

completo una vez montado y aplicadas todas las restricciones.

c) Carpeta Millturn Machine. Versiones posteriores en donde aparecen los modelos que se

utilizaron para intentar solventar las limitaciones que tenía el modelo inicial. A pesar de

ser intentos infructuosos de solucionar el problema, se adjuntan como posible ayuda

para investigaciones futuras. Se incluyen notas aclaratorias de cada modelo explicando

sus particularidades con respecto al modelo original.

d) Carpeta Planos con todos los planos en formato .CATdrawing y .pdf.

e) Carpeta Lathe Machining en donde se incluye toda la documentación generada para la

elaboración de cada uno de los ejemplos incluidos en el capítulo de Aplicaciones.

f) Carpeta Simulación que contiene los archivos .CATprocess finales de cada uno de los

ejemplos mencionados anteriormente.

g) Carpeta Anexos mecanizado donde se encuentran los ejemplos elaborados en formato

.docx, .html y .pdf. Se incluyen, además, los videos de las simulaciones realizadas

empleando Catia V5.

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