Ingeniería Concurrente y Procesos de Maquinado: Optimizando la Manufactura

Introducción

La ingeniería concurrente integra el diseño y la manufactura, y reduce los cambios en el diseño y la ingeniería de un producto, el tiempo y los costos. Un producto bien diseñado debe ser funcional, bien manufacturado, bien empaquetado, durable, conservable y eficiente.

Fundamentos del Maquinado

El maquinado es un proceso fundamental en la manufactura que involucra la remoción de material de una pieza de trabajo para darle la forma y el acabado deseados. Este proceso se caracteriza por la interacción de diversas variables, que se pueden clasificar en independientes y dependientes.

Variables Independientes

• Material y recubrimiento de la herramienta.
• Forma, acabado y filo de la herramienta.
• Material y condiciones de la pieza.
• Avance, velocidad y profundidad de corte.
• Fluidos de corte.
• Características de la máquina herramienta.
• Sujeciones y soportes.

Variables Dependientes

• Tipo de viruta generada.
• Fuerza y energía disipada durante el corte.
• Temperatura en la pieza, herramienta y viruta.
• Desgaste de la herramienta.
• Acabado superficial de la pieza de trabajo.

Un fallo en alguna de estas variables puede generar problemas como:

• Acabado superficial deficiente.
• Rápido desgaste de la herramienta.
• Calentamiento excesivo de la pieza de trabajo.
• Vibración y traqueteo.

Relaciones importantes:

• ↓Φ ↔ ↑δ (donde Φ es el ángulo de corte y δ es la deformación).
• ↓↓ángulo de ataque o ↑↑fricción herramienta-viruta ↔ ↓↓Φ.
• Viruta gruesa ↔ +disipación de energía.

Tipos de Viruta

• Continua: Se produce en materiales dúctiles a altas velocidades de corte y ángulos de ataque elevados. Generalmente, produce un buen acabado superficial. Se puede corregir con rompevirutas o cambiando el avance, la velocidad y la profundidad de corte.
• De borde acumulado: Se forman capas de material en la punta de la herramienta. Un borde delgado puede ser deseable, ya que reduce el desgaste de la herramienta. Se corrige con un aumento de la velocidad, una disminución de la profundidad, un aumento del ángulo de ataque, una herramienta más afilada, el uso de fluidos de corte y una menor afinidad química entre la herramienta y la pieza.
• Aserrada: Semicontinua, con zonas de baja y alta deformación (zonas de localización del cizallamiento). Se presenta en metales con baja resistencia y baja conductividad térmica.
• Discontinuas: Se forman segmentos en materiales frágiles o con impurezas. Se produce con velocidades muy altas o muy bajas, grandes profundidades de corte, un ángulo de ataque bajo, la ausencia de fluido de corte y una baja rigidez del portaherramientas.

Tipos de Desgaste de la Herramienta

• Desgaste del flanco: Ocurre en la cara de alivio de la herramienta debido al rozamiento y al aumento de la temperatura.
• Craterización: Se produce en la cara de ataque de la herramienta debido a la temperatura en la interfaz herramienta-viruta, la afinidad química y los factores de desgaste del flanco.
• Astillado: Causado por impacto mecánico y fatiga térmica.
• Fractura: Rotura completa de la herramienta.

Maquinabilidad

La maquinabilidad se define por el acabado superficial obtenido, la vida útil de la herramienta, las fuerzas y la potencia requeridas, y la dificultad en el control de la viruta.

• Aceros: Si es al carbono, es deseable trabajarlo en frío. Si tiene un alto contenido de fósforo, aumenta la dureza, produce virutas cortas y un buen acabado. Si contiene plomo, es tóxico.
• Aceros inoxidables: Difíciles de maquinar, presentan traqueteo.
• Hierros fundidos: Maquinables, pero abrasivos.
• Metales no ferrosos:
  • Aluminio: Fácil de maquinar, pero puede presentar un acabado deficiente. Se recomienda usar altas velocidades y ángulos de ataque elevados.
  • Cobre: Si es forjado, es difícil de maquinar debido a los bordes acumulados. El latón es más fácil de maquinar.
  • Magnesio: Fácil de maquinar, con buen acabado y alta vida útil de la herramienta.
  • Wolframio: Frágil, fuerte y muy abrasivo. Baja maquinabilidad.
• Termoplásticos/Plásticos termofijos: Baja conductividad térmica. Se requieren herramientas afiladas y ángulos de ataque mayores.
• Grafito: Muy abrasivo y difícil de maquinar.
• Cerámicos: Buena maquinabilidad.
• Madera: Propiedades variables.

Procesos de Maquinado

Fresado

El fresado es un proceso de maquinado que utiliza una herramienta rotativa con múltiples filos de corte para remover material de una pieza de trabajo.

• Fresado concurrente y fresado convencional (sentido opuesto a las agujas del reloj).
• Fresado de careado o refrentado.
• Fresado frontal/frontal de alta velocidad.
• Fresado combinado.
• Fresado de forma.

Tipos de Fresadoras

• Tipo columna y codo.
• Tipo bancada.
• Tipo cepilladora.
• Por control numérico.

Cepillado

El cepillado es un proceso de maquinado que utiliza una herramienta de corte lineal para remover material de una pieza de trabajo.

• De mesa móvil.
• De mesa fija.

Brochado

El brochado es un proceso de maquinado que utiliza una herramienta con múltiples dientes progresivos para remover material de una pieza de trabajo.

• Brochado rotativo.

Aserrado

El aserrado es un proceso de maquinado que utiliza una hoja de sierra para cortar material.

Tipos de Sierras

• De marco o arco.
• Circulares.
• De banda.

Procesos de Maquinado para Formas Redondas

• Careado.
• Seccionado.
• Roscado.
• Moleteado.

Torneado

El torneado es un proceso de maquinado que utiliza una herramienta de corte de un solo punto para remover material de una pieza de trabajo cilíndrica en rotación.

Ángulos de ataque mayores mejoran el corte, reducen la fuerza y la temperatura.

Ángulos de la Herramienta de Torneado

• Ángulo de ataque lateral.
• Ángulo de filo de corte.
• Ángulo de alivio.
• Radio de punta.

Fuerzas en el Torneado

• Fuerza de corte.
• Fuerza de empuje.
• Fuerza radial.

Se utiliza tanto para operaciones de desbaste como de acabado.

Componentes del Torno

• Bancada.
• Carro.
• Cabezal.
• Carro de contrapunto.
• Barra de avance y tornillo guía.
• Dispositivos de sujeción (mandriles o boquillas, platos de arrastre).

Tipos de Torno

• De banca.
• De propósito especial.
• Copiadores.
• Automáticos.
• De torreta (revólver).
• Controlados por computadora.

Mandrinado

El mandrinado se utiliza para agrandar orificios o producir perfiles internos en una pieza de trabajo.

• Mandrinadoras horizontales.
• Mandrinadoras verticales.

Taladrado

El taladrado es un proceso de maquinado que utiliza una broca para crear orificios en una pieza de trabajo.

Tipos de Brocas

• Helicoidal.
• Escalonada.
• De núcleo o sondeo.
• De paleta o tipo espada.

La fuerza de empuje depende de la resistencia del material, el avance, la velocidad de rotación, el diámetro y la geometría de la broca, y el fluido de corte.

Materiales para Herramientas y Fluidos de Corte

Características Generales de los Materiales para Herramientas

• Dureza en caliente.
• Tenacidad y resistencia al impacto.
• Resistencia al impacto térmico.
• Resistencia al desgaste.
• Estabilidad química.

Aleaciones de Cobalto Fundido

• Buena resistencia al desgaste.
• Mantienen la dureza con el aumento de la temperatura.
• Sensibles a fuerzas de impacto.
• Se utilizan para desbastes profundos.

Carburo de Tungsteno

• Sus propiedades dependen de la cantidad de cobalto.
• Se utiliza para cortar aceros, hierros fundidos y materiales no ferrosos abrasivos.

Carburo de Titanio

• Contiene níquel-molibdeno.
• Mayor resistencia al desgaste que el carburo de tungsteno.

Insertos

Son herramientas individuales de corte con varios puntos de corte, que se montan en portaherramientas.

Herramientas Recubiertas

• Menor fricción.
• Mayor adhesión.
• Mayor resistencia al desgaste.
• Barrera para la difusión.
• Mayor dureza en caliente y resistencia al impacto.

Recubrimientos

• Carburo de titanio.
• Nitruro de titanio.
• Recubrimientos cerámicos.
• Recubrimientos de fases múltiples.
• Recubrimientos de diamante.
• Carbonitruro de titanio.
• Nitruro de aluminio-titanio (para aceros inoxidables).
• Cerámicos con base de alúmina.
• Cermets (cerámico en una matriz metálica).
• Nitruro de boro cúbico (alta resistencia al impacto y al desgaste).
• Cerámicos con base de nitruro de silicio.

Fluidos de Corte

Los fluidos de corte se utilizan para:

• Reducir la fricción y el desgaste.
• Enfriar la zona de corte.
• Reducir las fuerzas y el consumo de energía.
• Retirar las virutas.
• Proteger la superficie de la pieza de trabajo.

Tipos de Fluidos de Corte

• Aceites.
• Emulsiones (aceite + agua + aditivos).
• Semisintéticos.
• Sintéticos (aditivos en agua sin aceite).

Métodos de Aplicación de Fluidos de Corte

• Inundación.
• Niebla.
• Alta presión.
• A través del sistema de la herramienta de corte.

Ventajas del Maquinado en Seco

• Menor impacto ambiental.
• Reducción de costos.
• Mejor calidad superficial en algunos casos.

Limado

El limado es un proceso de acabado que utiliza una lima para remover pequeñas cantidades de material de una pieza de trabajo.

Acabado de Engranajes

• Rasurado.
• Bruñido.

Centros de Maquinado y Economía del Maquinado

Centros de Maquinado

Los centros de maquinado son máquinas herramienta automatizadas que pueden realizar múltiples operaciones de maquinado en una sola configuración.

Partes de un Centro de Maquinado

• Tarima (pallet).
• Cambiador automático de pallets.
• Brazo de intercambio de herramientas.
• Husillo.

Tipos de Centros de Maquinado

• De husillo vertical.
• De husillo horizontal.

Capacidades de los Centros de Maquinado

• Pueden trabajar con una amplia variedad de tamaños y formas de piezas.
• Son versátiles.
• Reducen el tiempo y los costos de producción.
• Pueden detectar fallos automáticamente.

Economía del Maquinado

La economía del maquinado se refiere a la optimización de los costos asociados con los procesos de maquinado.

Factores que Influyen en los Costos de Maquinado

• Máquinas herramienta.
• Dispositivos de sujeción.
• Herramientas de corte.
• Tiempo de preparación de la máquina.
• Manejo de material.
• Calibrado de precisión.