Fundamentos de Maquinabilidad y Procesos de Mecanizado Industrial

Definición y Medición de la Maquinabilidad

La maquinabilidad no responde a una característica única e individual, sino a un conjunto de características distintas, cada una de las cuales puede variar independientemente de las demás. Esto comporta serias dificultades para precisar los medios y procedimientos adecuados que permitan una medida precisa y válida de esta propiedad. Se la podría definir como la aptitud de metales y aleaciones para ser conformados por mecanización en máquinas-herramientas, o sea, por arranque de material. En condiciones normalizadas, se mide por medio de ensayos, valorándolos según alguna de las siguientes características:

1. Duración del afilado de la herramienta.
2. Velocidad de corte que debe aplicarse para una duración del afilado de la herramienta.
3. Fuerza de corte de la herramienta.
4. Trabajo de corte.
5. Temperatura de corte.
6. Producción de viruta.

Factores que Influyen en la Maquinabilidad

La maquinabilidad no depende solamente de las características intrínsecas del material, ya que las condiciones de corte y las características del tipo de herramienta pueden determinar notables y profundas variaciones en la maquinabilidad. Además del tipo de herramienta, sobre la maquinabilidad influyen los siguientes factores:

Composición Química del Material

Los elementos que más influencia ejercen sobre la maquinabilidad de los aceros son el carbono, el manganeso, el azufre, el fósforo y el plomo; el resto de los elementos, hasta una proporción superior al 0,5%, no afectan a esta. El carbono, hasta un 0,3%, aumenta la maquinabilidad, pero en proporciones mayores la disminuye. El manganeso, hasta un 0,5%, al combinarse con el azufre, disminuye la plasticidad de la ferrita, con lo cual mejora la maquinabilidad, pero al superar el 1% la reduce rápidamente y hace imposible mecanizarlos al superar el 10%. El azufre, en proporciones superiores al 0,2% e inferiores al 0,4%, mejora mucho la maquinabilidad, ya que los sulfuros de hierro y los silicosulfuros, al quedar en las juntas de grano, debilitan la cohesión de los mismos. El fósforo, en proporciones de hasta un 0,12%, también aumenta la maquinabilidad. El plomo es insoluble en los aceros, quedando emulsionado en los mismos, formando pequeñas bolas que lubrican el corte. Se emplea en proporciones del 0,25%.

Constitución de los Materiales

La estructura que más favorece la maquinabilidad de los aceros con el contenido de carbono inferior al 0,3% es la perlita laminada; si el contenido de carbono es del 0,3 al 0,45%, sería la formada por perlita laminada mezclada con cementita globular, siendo esta última la idónea en porcentajes superiores de carbono.

Inclusiones Contenidas

Dependiendo de la naturaleza de las inclusiones, los aceros que las contengan serán más o menos maquinables. Las inclusiones de silicatos y aluminas la disminuyen, y los sulfuros en general, simples o complejos, la mejoran.

Dureza

Si el material es demasiado blando, la viruta se desprende con dificultad, y si poseen una dureza superior a los 50C, la maquinabilidad va reduciéndose progresivamente hasta llegar a ser imposible mecanizar aceros con durezas superiores a 60C.

Acritud

Como la acritud va en relación directa con la dureza, a mayor acritud, mayor dureza; luego, cuanto mayor sea la relación entre el coeficiente del límite elástico y la resistencia mecánica, mayor será por tanto la maquinabilidad.

Tamaño de Grano

Se admite en general que el aumento del tamaño del grano mejora la maquinabilidad.

Lubricantes para el Mecanizado de Metales

Como una de las causas del prematuro desgaste de las herramientas de corte es la elevación de la temperatura que restablece los filos. En un principio se pensó refrigerar la herramienta y la pieza empleando para ello chorros de agua saturada de sosa. En la actualidad, la lubricación del corte ha sufrido un gran avance hasta el punto que existen para cada tipo de operación los lubricantes adecuados. Las ventajas del empleo de los lubricantes para el mecanizado son:

1. Disminución del rozamiento herramienta-pieza, disminuyendo por tanto la potencia necesaria para el corte en un 10%.
2. Mantiene el filo a temperatura inferior a la de pérdida de sus cualidades de corte y disminuye las dilataciones y contracciones de las piezas.
3. Permite aumentar la velocidad de corte hasta un 50% más, obteniendo una mayor producción de viruta por unidad de tiempo.
4. Permite aumentar la sección de viruta arrancada cuando no puede aumentarse la velocidad de corte, bien aumentando la profundidad de corte o el avance.
5. Protege a la pieza contra la oxidación empleando lubricantes adecuados.
6. Limpia la pieza de partículas y arrastran la viruta.

Propiedades de los Lubricantes de Corte

Para obtener las ventajas antes señaladas, los lubricantes deben poseer las siguientes propiedades:

1. Propiedades lubricantes, como son: viscosidad, untuosidad, etc.
2. Propiedades refrigerantes: elevado calor específico y buena conductividad calorífica.
3. Propiedades antioxidantes y anticorrosivas.
4. Débil tensión superficial para mojar bien la pieza y la herramienta.

Cálculo de Tiempos de Fabricación

El cálculo de tiempos en la fabricación de una pieza en una máquina herramienta es fundamental, ya que permite:

1. Calcular con una base firme el precio de costes de la pieza fabricada.
2. Fijar el tiempo mínimo sobre el que se ha de basar los salarios con incentivos.
3. Obtener el máximo aprovechamiento de las máquinas y una perfecta ordenación de los trabajos y la previsión de su terminación.

Métodos para Establecer los Tiempos de Fabricación

Los tiempos de fabricación se pueden determinar por 5 métodos diferentes:

Método de Estimación

Consiste en descomponer la operación en fases cuya duración puede estimarse aproximadamente por la experiencia del técnico; sus resultados no son muy precisos.

Método de Comparación

Es en realidad también un método de estimación, pero tiene una base más firme que este, ya que se calculan los tiempos de la operación comparándola con otros de duración conocida ya determinados.

Método de Cronometraje

Consiste en medir los tiempos de la operación o fases que se descompongan con cronómetro. Este procedimiento es muy bueno, pero tiene el inconveniente de resultar caro a la hora de realizarlo.

Método de Suma de Tiempos Elementales Preestablecidos

Consiste en descomponer la ejecución de la pieza en fases elementales cuyos tiempos se pueden valorar perfectamente por estar preestablecidos en tablas.

Método por Tiempos Elementales y por la Comprobación Cronométrica

Cuando la serie de piezas a fabricar es importante, primeramente se calcula el tiempo de fabricación por el método de la suma de tiempos elementales y seguidamente se comprueban y afinan los datos obtenidos, cronometrando las diferentes fases del trabajo.

Tipos de Máquinas Herramientas

Se constituyen fundamentalmente dos tipos de máquinas herramientas:

• Máquinas de movimiento de corte rectilíneo.
• Máquinas de movimiento de corte circular.

El corte, tanto en una como en otra, puede considerarse:

• Por el movimiento de la pieza.
• Por el movimiento de la herramienta.

Se clasifican en:

Máquinas por Arranque de Viruta

• Corte por traslación de la pieza: Cepilladora.
• Corte por traslación de la herramienta: Limadora, Mortajadora y Brochadora.
• Corte por rotación de la pieza: Torno.
• Corte por rotación de la herramienta: Taladradora, Mandriladora, Punteadora y Fresadora.

Máquinas por Arranque de Partículas

• Por abrasión mecánica: Esmeriladora y Rectificadora.
• Por abrasión ultrasónica y por electro-erosión: Electroerosionadora.

Cepilladora

Es una máquina cuya herramienta fija arranca viruta al moverse la pieza debajo de ella con movimiento rectilíneo. Los movimientos de trabajo de esta máquina son:

1. Movimiento de corte por desplazamiento longitudinal de la pieza.
2. Movimiento de avance por desplazamiento transversal de la pieza.
3. Movimiento por profundidad de pasada por desplazamiento vertical de la herramienta.

A las cepilladoras se les llama también planeadoras porque se utilizan básicamente para planear superficies, incluso de varios metros de longitud.

Componentes Principales de las Cepilladoras

Las cepilladoras normales están formadas por una bancada, una mesa o tablero, los montantes, el travesaño o frontón, el puente o carro transversal y el portaherramientas.

• Bancada: Es la parte más robusta de la máquina, soporta todo el conjunto y debe absorber las vibraciones que se producen en los cambios de sentido de movimiento de la mesa, que se desliza sobre guías.
• Mesa: Es la parte de la máquina sobre la que se fijan las piezas que se han de trabajar, va provista de agujeros o ranuras para enganchar los accesorios de fijación de las piezas que han de ir firmemente sujetas a la mesa.
• Los Montantes: Situados uno a cada lado de la bancada, tienen carro portaherramientas.
• Travesaño o Frontón: Es la parte superior de la máquina, une los dos montantes y asegura su paralelismo e inmovilidad.
• El Puente: El carro portaherramientas se desliza apoyado en el puente que une los dos montantes.

Operaciones que Realizan las Cepilladoras

La principal es el planeado, pero también se labran superficies verticales, ranuras, rebajes, etc. El planeado consiste en mecanizar superficies planas. El rasurado consiste en mecanizar ranuras. El rebajado consiste en bajar la cota de una franja longitudinal de la pieza; en realidad, un rebaje se puede considerar como ranuras más anchas y de baja profundidad.

Limadora

Es una máquina cuya herramienta, animada de movimiento rectilíneo, arranca viruta al moverse sobre la pieza fijada sobre la mesa de la máquina. Los movimientos de trabajo de la limadora son:

1. Movimiento de corte: por desplazamiento longitudinal de la herramienta.
2. Movimiento de avance: por desplazamiento transversal de la pieza.
3. Movimiento de profundidad de pasada: por desplazamiento vertical de la herramienta.

Las limadoras se utilizan principalmente para planear superficies de pequeñas dimensiones, pero tienen también una extensa aplicación para el rasurado de ejes, perfilado de punzones, estampas, etc. Las operaciones más frecuentes son el planeado y el labrado de superficies verticales o inclinadas, el rasurado y el perfilado, y como trabajos típicos están el mecanizado de colas de milano o chaveteros, el labrado de superficies cónicas, el tallado de piñones.

Mortajadora

También denominadas limadora vertical, es una máquina cuya herramienta, animada de movimiento rectilíneo y alternativo vertical o poco inclinado, arranca viruta al moverse sobre piezas fijadas sobre la mesa de la máquina. Los movimientos de trabajo de la mortajadora son:

1. Movimiento de corte por desplazamiento longitudinal o vertical de la herramienta.
2. Movimiento de profundidad de pasada por desplazamiento longitudinal o axial de la pieza.

Cuando se mecaniza con la mortajadora ranuras con herramientas de la anchura de estas, se considera como movimiento de avance el movimiento transversal o axial de la pieza. Las mortajadoras, lo mismo que las cepilladoras y limadoras y en general todas las máquinas herramientas de movimiento alternativo, tienen poco rendimiento, pues no pueden emplearse con grandes velocidades de corte porque las fuerzas de inercia se oponen a los cambios de sentido de marcha, además de las pérdidas de tiempo de trabajo que suponen los tiempos muertos de las carreras de retroceso.

Operaciones Realizadas con la Mortajadora

Las operaciones que realiza son similares a las que realiza la limadora, pero con mayor potencia de arranque de material por el mayor apoyo que proporciona la mesa a las piezas sobre las que incide verticalmente la herramienta. Las operaciones son las siguientes:

1. Planeado de superficies planas.
2. Rasurados interiores y exteriores.
3. Estriados.
4. Contorneados.
5. Perfilados.
6. Tallado de dientes rectos.

Se emplea para el desbaste y semiacabado de matrices, mecanizado de grandes piezas.

Brochadora

Es una máquina dotada de una herramienta característica en forma de barra provista de múltiples dientes que se denomina brocha o aguja de brochar y que mecaniza superficies paralelas a su generatriz en una sola pasada de movimiento rectilíneo. Los movimientos de trabajo son:

1. Movimiento de corte por desplazamiento rectilíneo de la herramienta.
2. Movimiento de avance: no existe.
3. Movimiento de profundidad de pasada: se produce automáticamente y progresivamente a medida que avanza la brocha y es constante para cada herramienta.

El brochado se emplea principalmente para la realización de formas poligonales partiendo generalmente de agujeros cilíndricos, pero también se emplea para la obtención de ranuras de chaveteros y brochados exteriores. Otra aplicación interesante es la mecanización de superficies helicoidales en un tiempo 20 veces menor que el que precisaba con otros procedimientos, obteniéndose además un trabajo perfecto.

Brochas

La herramienta es la pieza fundamental de la máquina hasta el punto de que puede considerarse que la máquina no es más que un dispositivo para proporcionar el sencillo movimiento rectilíneo a la brocha que por sí sola realiza una operación completa de mecanizado.

Taladradora

Es una máquina cuya herramienta, animada de un movimiento de rotación y de avance, perfora la pieza que permanece fija.

Movimientos de trabajo:

• Movimiento de corte de rotación de la herramienta.
• Movimiento de avance por desplazamiento axial de la herramienta.
• Movimiento de profundidad de pasada: no existe utilizando brocas cilíndricas, pero con brocas cónicas puede considerarse que hay un pequeño avance.

Esta es una máquina concebida especialmente para realizar agujeros. Aunque pueden realizarse por otros procedimientos, con ninguno de ellos pueden obtenerse orificios con la precisión, limpieza y profundidad como con el taladro. Las herramientas típicas de las taladradoras son las brocas, las de lanza (que son planas con dos biseles y acabadas en punta) y las brocas en espiral.

El Torno

El torno es una máquina herramienta en la que la pieza que se mecaniza, sometida a un movimiento de rotación, es conformada por la herramienta animada de un movimiento de avance generalmente paralelo al eje de rotación de la pieza.

Los movimientos de trabajo del torno son:

• Movimiento de corte por rotación de la pieza.
• Movimiento de avance por desplazamiento longitudinal de la herramienta.
• Movimiento de profundidad de pasada por desplazamiento radial de la herramienta.

El torno sigue siendo la máquina fundamental de los talleres mecánicos y representa aproximadamente el 65% del total de las máquinas herramientas usadas para el conformado por arranque de viruta. Se emplean generalmente para la mecanización de cuerpos de revolución como poleas, manguitos, pernos, etc., pero es una máquina muy versátil y de múltiples aplicaciones.

Operaciones que Realizan los Tornos

Cilindrado

Consiste en mecanizar un cilindro recto de longitud y diámetro determinado.

Mandrinado

Consiste en agrandar un agujero.

Refrentado

Consiste en mecanizar una superficie plana perpendicular al eje de giro; para esto, la herramienta no tiene avance, sino únicamente profundidad de pasada.

Roscado

El cilindrado se realiza con una velocidad muy lenta de avance de la herramienta en relación con la velocidad de giro de la pieza, ya que de otro modo quedarían grabados surcos; y el roscado se realiza con velocidad de avance mucho mayor en relación con la velocidad de la pieza, con lo que la herramienta marca una hélice que constituye la rosca.

Rasurado

Consiste en abrir ranuras en las piezas; si estas son estrechas, se realizan con una herramienta de la misma anchura de la pieza, pero si son anchas, habrá que darle a la herramienta un movimiento de avance.

Moleteado

Consiste en imprimir en la superficie de la pieza un grabado por medio de una herramienta especial denominada moleta, provista de una rueda que lleva en su superficie el grabado deseado y que se aplica fuertemente sobre la pieza a moletear.

Tronzado o Corte de la Pieza

Es el seccionamiento de la barra o, más generalmente, de la pieza una vez terminada, utilizando una herramienta especialmente afilada denominada tronzadora.