Centros de Mecanizado CNC: Características, Selección de Herramientas, Costes y Metrología Aplicada

Centros de mecanizado CNC

Características y capacidades de un centro de mecanizado (CM), apto para mecanizar un amplio espectro de piezas en cuanto a formas y tamaños:

• Repetibilidad y precisión de posicionamiento del orden de ±0,0001 mm.
• Rapidez de preparación de la máquina al cambiar de un tipo de pieza a otro.
• Buena productividad, que requiere tiempos bajos para la carga y descarga de piezas, cambio de herramientas y medición de piezas.
• Disponibilidad de dispositivos para monitorizar la rotura y el desgaste de la herramienta.
• Disponibilidad de ciclos de medida de piezas y alto nivel de automatización, que permiten que un solo operario pueda atender a más de una máquina.

Factores de selección

Tamaño, forma y peso de la pieza, tipo de operaciones de mecanizado a realizar y herramientas a emplear. Precisión dimensional requerida y tasa de producción requerida.

Aspectos a considerar en el diseño de máquinas herramienta (MH)

Materiales para la estructura

Fundición gris, acero soldado, cerámicas y compuestos (matriz polimérica, metálica, cerámica, granito-epoxi, hormigón + PMM).

Diseño

• Rigidez = f(E, geometría, composición)
• Amortiguamiento de vibraciones = f(material, uniones, composición)
• Distorsiones térmicas = f(coeficiente de dilatación, coeficiente de conducción)

Componentes

Estructura base, guías, husillos, motores-motores lineales y cimentación de la máquina.

Costes de fabricación

• Costes fijos: no dependen del volumen de producción.
• Costes laborales indirectos: actividades auxiliares que se cargan proporcionalmente a todos los productos.
• Costes de material: tipo y procesado anterior del material a procesar.
• Costes de utillaje: dependen del proceso.
• Costes de capital: maquinaria, equipos e inversiones.
• Costes laborales directos: actividades con implicación directa en el proceso.

Variables de coste y tiempo

• C_p: coste por pieza
• C_m: coste de mecanizado
• C_s: coste de preparación
• C_l: coste de carga/descarga
• C_t: coste de las herramientas
• L_m: coste de mano de obra directa (€/h)
• B_m: coste horario de máquina + coste indirecto (€/h)
• T_m: tiempo unitario de máquina
• T_l: tiempo entre carga y descarga
• N_i: número de piezas que se pueden mecanizar por plaquita
• T_c: tiempo de cambio de plaquita
• D_i: depreciación de la plaquita (€)
• N_f: número de piezas que se pueden mecanizar por filo de la plaquita
• T_i: tiempo de cambio de filo

Planificación de procesos

1. Análisis de la especificación de la pieza (formas, tolerancias, acabados, superficies críticas, superficies de referencia, control, calibración, mecanizado y fijaciones).
2. Selección del material de partida.
3. Selección de procesos y operaciones (primera aproximación).
4. Selección de la máquina.
5. Secuenciación de procesos y operaciones (ruta del material, referencias para la localización de cada operación).
6. Selección/diseño de herramientas.
7. Selección/diseño de utillajes.
8. Selección de las condiciones de ejecución de cada operación.
9. Determinación de dimensiones operacionales y tolerancias para cada operación.
10. Estimación de tiempos y costes.
11. Preparación y documentación del plan.
12. Generación de trayectorias.
13. Simulación de operaciones.
14. Validación del plan de procesos y operaciones.

Operaciones de fresado

Planear, escuadrar, perfilar, vaciar cavidades, ranurar, tornear-fresar, fresar roscas, fresado con avance elevado, fresado sin penetración, fresado en rampa, fresado con interpolación helicoidal, fresado con interpolación circular y fresado con interpolación toroidal.

Utillaje de mecanizado

Funciones básicas

• Posicionar la pieza con respecto al sistema de referencia de la máquina.
• Fijar la pieza para mantener su posición durante el mecanizado.
• Evitar deflexiones en la pieza.
• Posicionar, orientar, apoyar y fijar.

Restricciones

Geometría y forma de la pieza, accesibilidad, deformación, equilibrio, precisión, operaciones a realizar, elementos disponibles y máquina-herramienta.

Proceso de selección de herramientas: fresado

Datos necesarios: material de partida (tipo, forma y dimensiones), pieza final a obtener (tipo, forma, dimensiones y tolerancias) y máquina donde se realiza el mecanizado.

1. Identificar el código de material según Sandvik-CMC y el tipo P, M, K, N, S, H.
2. Identificar el tipo de operación a realizar.
3. Seleccionar el tipo de fresa: tamaño y paso.
4. Seleccionar la plaquita: tipo (light, medium, heavy), tamaño y calidad.
5. Determinar los datos de corte: velocidad de corte, velocidad de avance, profundidad axial y radial.
6. Calcular la potencia consumida.

Parámetros de corte orientativos

Cepilladora

V_c = 3 – 90 m/min; f = 0,5; 3 mm/pasada.

Fresado (acero)

• f = 0,17 mm/diente
• Diámetro de fresa d = 250 mm
• Número de dientes: 10, 14 o 24
• V_c = 320 – 225 m/min
• V_f = 0,5 – 2 m/min

Brochado

• V_c = 1,5 – 15 m/min
• Ángulo de desprendimiento: 0º – 20º
• Ángulo de incidencia: 1º – 4º
• Paso: 3,2 – 25 mm
• Profundidad de corte por diente: 0,025 – 0,25 mm

Control de calidad y metrología

Control de calidad

Analizar las variables para determinar si la pieza cumple con las especificaciones.

Control de procesos

Determinar el número de piezas producidas en un intervalo de tiempo y la calidad resultante: correctas, corregibles (con costes) y desechables (con costes).

Tipos de control e inspección

• Control por atributos: verificación de piezas con calibre pasa/no pasa.
• Control por variables: medición de piezas (pie de rey).
• Inspección: comprobación de características de la pieza (inspección visual).
• Ensayo: establecer parámetros o características significativas de una pieza (ensayo de tracción o de fatiga).

Trazabilidad

Cadena ininterrumpida de comparaciones, todas ellas con incertidumbres determinadas, que garantiza que el resultado de una medida o el valor de un patrón está ligado a referencias situadas en niveles superiores, hasta alcanzar el patrón primario.

Metrología

Ciencia de la medida de efectos observables y cuantificables (magnitudes). Se encarga de garantizar la exactitud, la precisión, la fiabilidad y la trazabilidad.

Conceptos fundamentales

• Valor de una magnitud: se expresa mediante un número seguido de una unidad.
• Magnitud base: aquella que se acepta por convenio como funcional e independiente de cualquier otra.
• Magnitud derivada: aquella que se determina como función de magnitudes base.
• Medición: conjunto de operaciones para determinar el valor de una magnitud.
• Incertidumbre: parámetro asociado al resultado de una medición que caracteriza la dispersión de los valores obtenidos.

Instrumentos de medida

• Campo de medida: intervalo de valores de la magnitud que puede medir el instrumento.
• Exactitud: capacidad de medir un valor cercano al valor real.
• Precisión: capacidad de dar el mismo resultado en mediciones repetidas bajo las mismas condiciones.
• Resolución: mínima variación de la magnitud que puede leerse en el instrumento.