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TESIS DE MAESTRÍA
Instituto Politécnico Nacional
Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS
Sección de Estudios de Posgrado e Investigación
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN
INGENIERÍA MECÁNICA
P R E S E N T A
Ing. Pablo Argumedo Moreno Director de tesis: Dr. Luis Héctor Hernández Gómez
México D.F. Septiembre del 2008
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
TESIS DE MAESTRÍA
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PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
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CARTA CESIÓN DE DERECHOS
En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 28 del mes de Marzo del año 2008, el (la)
que suscribe Ing. Pablo Argumedo Moreno alumno (a) del Programa de Maestría en
Ciencias de Ingeniería Mecánica, opción Diseño) con número de registro B021876, adscrito
a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME, Unidad Zacatenco,
manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de Dr.
Luis Héctor Hernández Gómez y cede los derechos del trabajo intitulado
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO
COMPUTACIONAL BOXFORD 250, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión,
con fines académicos y de investigación.
Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos
del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser
obtenido escribiendo a la siguiente dirección P_argumedo@hotmail.com. Si el permiso se
otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.
INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
TESIS DE MAESTRÍA
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RESUMEN
En el presente trabajo de tesis se realiza un estudio, de tres diferentes procedimientos
para generar la programación del Torno Didáctico Boxford 250 con Control Numérico
Computacional (CNC), realizando una comparación entre cada uno de ellos, teniendo como
ejemplo práctico el maquinado de una probeta de aluminio, la cual será utilizada para
realizar ensayos a tensión.
El primer procedimiento es de forma manual (utilizando el panel de control, de la
máquina misma), el cual es el intermediario en la operación total, el diagnóstico mostró que
para este primer método, es indispensable el conocimiento de los códigos G y M, cálculos
(velocidad de corte, velocidad de avance, elección de herramienta, etc.). Se requiere de
suficiente tiempo para la aplicación del mismo.
En el segundo procedimiento, trata de la programación asistida por sistemas CAD/
(Diseño Asistido por Computadora, por sus siglas en inglés) / CAM (Manufactura Asistida
por Computadora, por sus siglas en inglés), el cual es el más recomendable para la
programación de dicho torno con CNC. En donde primeramente se diseñó el producto
auxiliado con el programa de Auto CAD. Mediante el programa Máster Cam se realizó la
conversión del dibujo a código G y M automáticamente. De esta manera, la máquina
interpreta las instrucciones del programa. Se simuló el proceso para verificar que no
existieran errores y finalmente se llevó a cabo el mecanizado, obteniendo la pieza deseada.
La aplicación de éste procedimiento produce ahorros significativos en el tiempo y esfuerzo
de programación, ya que todos los cálculos y cambios de herramienta que se requieren, los
realiza la máquina automáticamente.
El tercer modo consiste, en la generación de trayectorias, empleando el programa
Máster CAM (Instalado en la máquina). Aquí se creó el diseño de la pieza por medio de
líneas, con sus respectivas dimensiones, especificando el tipo de material a trabajar. Se
simuló el maquinado de la pieza a obtener, generando en forma automática la programación
requerida para su manufactura
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NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
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ABSTRACT
In this works three different programming procedures are analyzed, they are used with the
didactic turning lathe Boxford 250. This machine tool is operated with a Computational
Numerical Control. These procedures are compared when they are used in the production of
aluminum specimens for tension tests.
In first instance, the manual procedure is followed. In this case the control panel of the
machine is used. For this purpose, the G and M codes are required. Besides, the machining
parameters, as cutting speed, feed speed, tool selection, etc., must be determined in
advance. This is a time consuming procedure.
In the second procedure, Computing Aided Design (CAD) is used in conjunction with
Computing Aided Manufacture (CAM). In accordance with the obtained results, this is the
most advisable procedure for this purpose. Initially, the specimen is designed with Auto
CAD. In a second step, Master CAM is used. With the obtained drawings, the machining
instructions of the G and M codes are generated automatically. In this way, the manufacture
process is simulated and at the same it is verified. Thereafter, the required specimens are
machined. In this case, the required time is reduced and the machine programming is easier,
because all the calculations and the sequence of the required tools are performed by the
computer.
In the third case, Master Cam program is used. The specimen is modeled and its material is
specified. The manufacture process is simulated and the machine tool instructions are
generated automatically.
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PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
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ÍNDICE GENERAL
Página
RESUMEN i
ABSTRACT ii
ÍNDICE DE FIGURAS viii
ÍNDICE DE TABLAS ix
SIMBOLOGÍA x
OBJETIVO xi
JUSTIFICACIÓN xii
INTRODUCCIÓN 1
CAPÍTULO 1
GENERALIDADES SOBRE MÁQUINAS-HERRAMIENTA
1.1 ENTORNO NACIONAL E INTERNACIONAL DE LA INDUSTRIA
METAL MECÁNICA
5
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS–HERRAMIENTA
CONVENCIONALES.
6
1.3 IMPULSIÓN ELÉCTRICA 8
1.4 MECANISMOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO
PRINCIPAL Y DE AVANCE.
9
1.5 MODOS DE CONTROL 10
1.6 EL TORNO. 12
1.6.1 TIPOS DE TORNO 13
1.6.2 PARTES PRINCIPALES DE UN TORNO CONVENCIONAL 15
1.7 TRABAJOS QUE SE REALIZAN CON EL TORNO PARALELO 16
1.8 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA
CONVENCIONALES
17
1.8.1 HERRAMIENTAS DE CORTE 18
1.8.2 FLUIDOS DE CORTE 18
1.8.3 VENTAJAS DE LOS ENFRIADORES 19
1.9 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 20
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CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DEL CONTROL NUMÉRICO
COMPUTACIONAL APLICADO A MANUFACTURA
2.1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL
(CNC) 21
2.2 ANTECEDENTES DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 22
2.3 DEFINICIÓN DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 23
2.4 PROGRAMA DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 24
2.5 SISTEMAS DE UNIDADES Y MODOS DE ENTRADA 25
2.5.1 SISTEMA DEL PROGRAMA 26
2.5.2 CÓDIGO DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 26
2.6 NÚMEROS DE SECUENCIA 28
2.7 LOS GRUPOS G Y M 28
2.8 FUNCIONES PREPARATORIAS 29
2.9 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL CONTROL NUMERICO 29
2.10 PRECISIÓN EN EL POSICIONAMIENTO DEL CONTROL NUMÉRICO 30
2.11 DIFERENCIAS ENTRE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA
CONVENCIONAL Y UNA CON CNC
31
2.12 SUMARIO 34
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA PARA LA MANUFACTURA EN EL
TORNO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL
BOXFORD 250.
3.1 MANUFACTURA 35
3.2 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
36
3.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO 36
3.2.2 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO DE CÓMPUTO 38
3.2.3 PARTES COMPONENTES DEL TORNO CNC 38
3.3 DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA A MAQUINAR 43
3.3.1 PLANO DE LA PIEZA 44
3.3.2 SELECCIÓN DE LA HERRAMIENTA 46
3.3.3 SELECCIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORTE 47
3.3.4 AVANCE DEL TORNO 49
3.3.5 SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE 50
3.4 PROCESO DE MAQUINADO EN EL TORNO BOXFORD 250 CON
CNC
52
3.4.1 UTILIZANDO MODO MANUAL 52
3.4.2 UTILIZANDO MÁSTER CAM AUXILIADO CON CAD 55
3.4.3 UTILIZANDO CREACIÓN DE TRAYECTORIAS 75
3.5 SUMARIO 83
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CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN DE RESULTADOS
4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PROGRAMAS
UTILIZADOS
84
4.2 PROGRAMACIÓN MANUAL DE UN CNC 85
4.3 PROGRAMACIÓN APLICANDO PROGRAMAS CAD/CAM 87
4.4 PROGRAMACIÓN APLICANDO GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS 89
4.5 ASPECTOS GENERALES 91
CONCLUSIONES 92
RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO 93
REFERENCIAS 94
ANEXO A: TABLA DE CÓDIGOS GENERALES EMPLEADOS EN LA
PROGRAMACIÓN DEL TORNO BOXFORD 250 CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL.
97
ANEXO B: TABLA DE CÓDIGOS MISCELANEOS EMPLEADOS EN LA
PROGRAMACIÓN DEL TORNO BOXFORD 250 CON CONTROL
NUMÉRICO COMPUTACIONAL.
98
ANEXO C: CODIFICACIÓN PARA EL MAQUINADO DE LA PROBETA 100
ANEXO D: CODIFICACIÓN PARA EL ROSCADO DE LA PROBETA 102
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AGRADECIMIENTOS
A DIOS MI SEÑOR, POR LA VIDA QUE ME HA DADO POR AMOR, POR
ESCUCHARME Y DARME BRIOS Y ENTUSIASMO PARA SEGUIR ADELANTE
CON MIS ESTUDIOS Y TRABAJOS.
MUY SINCERAMENTE Y CON TODO RESPETO QUE SE MERECE, POR SU
VALIOSA GENTILEZA DE BRINDARME TODO SU APOYO Y CONFIANZA, DE
SER MAESTRO Y AMIGO, A MI QUERIDO DIRECTOR DE TESIS DR. LUIS
HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ, POR SUS SABIOS CONSEJOS Y ASESORIA, YA
QUE DE NO SER ASÍ, NO HUBIERA SIDO POSIBLE LA CULMINACIÓN
SATISFACTORIA DE ESTE TRABAJO.
A LOS INTEGRANTES DE MI COMISIÓN REVISORA, POR SU GRAN
DEDICACIÓN Y ESFUERZO, PARA QUE ESTE TRABAJO CUMPLIERA SU
OBJETIVO.
A TODOS MIS MAESTROS DEL PROGRAMA DE LA MAESTRÍA, POR SUS
ENSEÑANZAS.
AL M. EN C. RICARDO LÓPEZ MARTÍNEZ, (q.e.p.d.), UN RECUERDO PÓSTUMO
DE AGRADECIMIENTO.
AL M. EN C. JULIO CÉSAR BALANZÁ CHAVARRIA, POR SU GRAN APOYO Y
MUESTRA DE CARIÑO.
A TODOS MIS COMPAÑEROS DE LA SALA 2 DEL TECNOLOGICO DE POZA
RICA Y TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE DE ALGUN MODO ME APOYARON.
A MIS QUERIDOS PADRES: SR.JULIO ARGUMEDO AMORÉ Y SRA. EUSEBIA
MORENO OLARTE, POR SU GRAN AMOR Y COMPRENSIÓN.
A MIS HERMANOS: JULIO CESAR, JOSÉ LUIS, ESMERALDA E IRENE.POR SU
GRAN MUESTRA DE CARIÑO Y CONFIANZA QUE HAN DEPOSITADO EN MI.
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PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
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A MI MUY QUERIDA ESPOSA ERIKA, POR SU GRAN AMOR, QUE SIEMPRE ME
HA APOYADO EN TODO MOMENTO Y HA SACRIFICADO PARTE DE SI, PARAA
QUE SIGA PROGRESANDO CON MIS ESTUDIOS.
A MIS QUERIDAS NIÑAS, QUE SON MI REGALO DE DIOS: LUPITA, ROSI Y
ESMERALDITA, AUNQUE SON AÚN MUY PEQUEÑITAS, HAN SABIDO
COLABORAR PARA REALIZAR MI TRABAJO.
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1 Partes principales del torno paralelo 15
Figura 3.1 Torno didáctico CNC Boxford 250 37
Figura 3.2 (a) Partes componentes del torno didáctico CNC Boxford 250 39
Figura 3.2 (b) Desplazamiento de las herramientas 40
Figura 3.3 Plano de taller 45
Figura 3.4 (a) Torreta porta herramientas 46
Figura 3.4 (b) Posición de las herramientas 47
Figura 3.5 Diagrama de flujo de un proceso de maquinado 53
Figura 3.6 Propiedades de la máquina 56
Figura 3.7 Perfiles del chuck y herramienta 57
Figura 3.8 Características del chuck 57
Figura 3.9 Cuadro del dialogo para seleccionar parámetros 58
Figura 3.10 Trayectoria de careado 59
Figura 3.11 Seleccionar puntos a encadenar 60
Figura 3.12 Propiedades de la herramienta de corte para carear 60
Figura 3.13 Seleccionar la geometria para roscar 61
Figura 3.14 Seleccionar herramienta adecuada para roscar 61
Figura 3.15 Introducir valores en cuadro de dialogo para roscar 62
Figura 3.16 Determinar el número de pasadas 62
Figura 3.17 Geometría para el cilindrado 63
Figura 3.18 Selección de herramienta adecuada para el cilindrado 63
Figura 3.19 Determinar el ángulo de la ranura 64
Figura 3.20 Seleccionar tipo de acabado suave 64
Figura 3.21 Encadenar los puntos para cilindrar 65
Figura 3.22 Seleccionar sentido de corte 65
Figura 3.23 Cilindrar la segunda fase, con la misma herramienta 66
Figura 3.24 La figura muestra los puntos a encadenar, para realizar el
cilindrado 67
Figura 3.25 Tipo de herramienta para roscar 67
Figura 3.26 Intoducir valores para el roscado 68
Figura 3.27 Seleccionar simular todas las actividades 68
Figura 3.28 Modelo de la pieza obtenida, mediante la simulación 69
Figura 3.29 Menú principal del programa 76
Figura 3.30 Especificación del material a trabajar 76
Figura 3.31 Dimensiones para refrentar la pieza muestra 77
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1 Tipos de máquinas-herramienta 7
Tabla 1.2 Mecanismos de transformación 10
Tabla 2.1 Descripción del código de letras 27
Tabla 2.2 Diferencias entre una máquina convencional y una máquina con
control numérico computacional 32
Tabla 3.1 Velocidades de corte 49
Tabla 3.2 Avances para diversos materiales con el uso de herramientas para alta
velocidad 49
Tabla 3.3 Tipos de lubricantes para maquinados 51
Tabla 3.4 Lista de actividades, para emplear Master CAM auxiliado por CAD 55
Tabla 3.5 Lista de instrucciones para creación de trayectorias 75
Figura 3.32 Trazado de líneas para generar roscado 77
Figura 3.33 Incorporación de valores para el adelgazamiento de la pieza
muestra 78
Figura 3.34 Formación de redondeo en el primer extremo 78
Figura 3.35 Formación de redondeo en el segundo extremo 79
Figura 3.36 Trazado de línea en extremo posterior 79
Figura 3.37 Trazado para elaboración de roscado 80
Figura 3.38 Módulo para generar código G 80
Figura 3.39 Verificando dimensiones 81
Figura 3.40 Ejecutando códigos G y M 81
Figura 3.41 Simulación de manufactura 82
Figura 3.42 Perfil de la probeta 82
Figura 4.1 Maquinado de una probeta en el torno CNC Boxford 250 86
Figura 4.2 Probeta de aluminio maquinada en torno con CNC 86
Figura 4.3 Simulación del maquinado en el torno Boxford 250 88
Figura 4.4 Plano cuadriculado para la generación de trayectorias 90
Figura 4.5 Representación gráfica del diseño de una probeta aplicando creacion
de trayectorias 90
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SIMBOLOGÍA
Reduce velocidad de husillo en la misma dirección
40
Reduce velocidad de husillo en reversa
40
Detiene giro de husillo
40
Mueve el sujetador de herramienta en forma ascendente (eje X)
41
Mueve el sujetador de herramienta en forma descendente (eje X)
41
Mueve sujetador de herramienta, lado izquierdo (eje Z)
41
Mueve sujetador de herramienta, lado derecho (eje Z)
41
Control de movimiento del contenedor de herramientas en modo rápido
41
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OBJETIVO
El principal objetivo que se pretende cubrir al desarrollar este trabajo es, conocer y
aplicar una metodología para manufacturar productos diversos en el torno didáctico
Boxford 250 con Control Numérico Computacional. Esto de forma sencilla y generando la
programación del mismo, en el menor tiempo posible, con mayor exactitud y confiabilidad
en el proceso. Para ello se consideran tres procedimientos, posibles de aplicarlos en dicha
máquina.
a) Aplicando la programación manual
b) Aplicando sistemas CAD/CAM.
c) Aplicando creación de trayectorias de herramienta.
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JUSTIFICACIÓN
Los sistemas de manufactura, como el torno con Control Numérico Computacional,
presentan grandes ventajas en el maquinado de piezas, y a pesar de que han sido aceptados
por muchas empresas e instituciones educativas de muchos Países incluyendo a México, en
la ciudad de Poza Rica, son muy raros. Esto nos exige estar más capacitados e informados
de dichos avances tecnológicos. Por esta razón la programación de dichos sistemas de
manufactura resulta ser muy importante, esto permite la manufactura de diversos productos
de manera eficiente. Sin embargo, es necesario determinar los parámetros de fabricación de
acuerdo a los lotes de producto requerido.
En México, el grado de utilización de esta tecnología, es muy bajo, sobre todo en el
estado de Veracruz, se concentran en trabajos pequeños y de escaso valor; el resto de la
demanda: un volumen enorme, se comisiona, desarrolla e importa de Estados Unidos,
Canadá y otras regiones. Esto es una fuga de divisas, que podría detenerse si los
industriales e inversionistas mexicanos identificaran esta oportunidad de emplear CNC en
la industria, para que esta misma se fortalezca.
El capital que se gira en este renglón productivo y que se va a otros países podría
quedarse en México si se desarrollara la infraestructura necesaria. Es por ello que el
tecnológico de Poza Rica, en base a esta situación, ha visto la oportunidad de mercado en
este segmento industrial (zona petrolera), por lo que pretende abrir programas o talleres al
desarrollo, haciendo uso de la tecnología CNC y poder ofrecer consultoría, capacitación e
investigación.
El presente tema de tesis se justifica con el planteamiento de tres métodos para
generar la programación del torno didáctico con Control Numérico Computacional Boxford
250.
xii
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1
INTRODUCCIÓN
Las máquinas-herramienta juegan un rol fundamental en el desarrollo tecnológico del
mundo, hasta el punto que no es una exageración decir que la tasa del desarrollo de
máquinas-herramienta gobierna directamente el crecimiento industrial de cualquier país.
Los bienes de capital de todo tipo se lograron concebir y realizar mediante la
utilización de las máquinas-herramienta, pero no podían ser comercializados por no existir
los medios adecuados para su construcción industrial. Para lo que era necesario realizar
diversas operaciones tales como fresado, alisado, torneado y perforado, entre otros, con lo
cual se obtendría una gran eficiencia si estas máquinas-herramienta se encontraran
agrupadas, y mayor aún sería el impacto si todas estas operaciones se pudieran realizar en
una sola máquina.
Las mejoras introducidas por la aparición de las máquinas-herramienta y los nuevos
requisitos que se sumaban día a día, forzaron al reemplazo del operador-hombre. Así se
comenzó con la introducción del control numérico en los procesos de fabricación, impuesto
por varias razones:
Necesidad de maquinar productos que no se podían conseguir en cantidad y
calidad suficientes sin recurrir a la automatización del proceso de fabricación
Necesidad de obtener productos, hasta entonces imposibles o muy difíciles de
elaborar, por ser excesivamente complejos para ser controlados por un operador
humano
Necesidad de manufacturar productos a precios suficientemente bajos
El factor inicial predominante que condicionó toda automatización fue el aumento de
productividad. Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de la industria aparecieron
otros aspectos no menos importantes como la precisión, la rapidez y la flexibilidad.
Finalmente, se redujeron los costos de desarrollo, adaptación, puesta en marcha, formación,
documentación y mantenimiento.
Con los sistemas de control, planificación y gestión de formación, hacen del control
numérico (CN), la base de apoyo a nuevas tecnologías de fabricación: el COM, fabricación
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flexible y el CIM, fabricación integrada por computadora, estas últimas por sus siglas en
inglés.
El presente trabajo tiene por objetivo la aplicación de la programación para
maquinado en un torno de control numérico Boxford 250. Para este efecto se seguirán
diversos procedimientos, todo esto con la finalidad de mostrar los alcances y ventajas de
cada uno de ellos. Es importante hacer notar que dicha programación se integrará con
programas de dibujo, con lo cual se hará uso de los recursos computacionales en el proceso
de fabricación.
Esta tesis se ha dividido en cuatro apartados. A continuación se presenta un análisis
resumido de los capítulos contenidos en ella.
En el capítulo uno, se establecen las generalidades de las máquinas-herramienta
convencionales, el principio de funcionamiento; así como los mecanismos que
intervienen en el movimiento principal y de avance, haciendo un enfoque
principalmente al torno tipo paralelo. También se habla sobre aspectos relacionados
con la manufactura, tal como herramientas y fluidos de corte, con este panorama se
plantea el caso de estudio.
En el capítulo dos, se presenta una definición de control numérico computacional,
las ventajas y limitaciones del mismo, así como sus unidades y modos de entrada.
Así mismo se plantea el procedimiento de programar el torno didáctico Boxford
250, para la aplicación de la metodología propuesta.
En el capítulo tres, se aplican los tres métodos de programar el torno didáctico
Boxford 250 con Control Numérico Computacional, para el mecanizado, en los
cuales se aplican: programación manual, programación mediante los programas
(Máster Cam auxiliado con Auto Cad) y creación de trayectorias.
En el capítulo cuatro, se realiza un análisis de los tres métodos de programación
anteriormente descritos, y una vez efectuada la evaluación de resultados obtenidos,
se tiene que el torno didáctico Boxford 250 se puede programar ventajosamente
mediante la aplicación del programa Máster Cam auxiliado con CAD, obteniendo
de esta manera un excelente resultado.
En cuanto a trabajos de tesis, que se han realizado en la Sección de Estudios de
Posgrado e Investigación de la ESIME, y que tiene relación con el presente trabajo de tesis,
se puede partir de las ideas establecidas por Villalobos, quién menciona que en el terreno de
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la Ingeniería Mecánica, existe la tendencia de utilizar métodos computacionales cada vez
más poderosos en el diseño y manufactura de bienes de consumo y de capital. Esto con el
fin de incrementar la productividad y tener mejores oportunidades en mercados cada vez
más competitivos [37].
Desde luego, una manera de crecer tecnológicamente, es mediante la extracción de
tecnología. Si bien es cierto que esta metodología involucra un proceso de conocimiento
heurístico, también el aspecto computacional en la manufactura es un ingrediente primordial
[38].
La utilización de robótica en la manufactura ha captado interés. A nivel doctoral, se
trabajó en el problema de que un brazo pudiese tomar dos objetos de una banda transportadora,
sin que regresara a su posición “cero” entre los eventos de sujetar cada objeto y sin cambiar el
efector final del brazo considerado. Para este efecto, se implementó un algoritmo de
recuperación de tiempos, el cual se complementaba con un sistema de reconocimiento de
imágenes. El control diseñado, coordinaba todos los sistemas involucrados [18].
También en este contexto, Merchán [27] propone el uso de manipuladores para procesos
automatizados de soldadura y pintura. Velázquez [36] se enfoca en la importancia del sistema de
control de los manipuladores. Asimismo, Ramírez [31] establece la importancia de un buen
diseño de los efectores finales en los brazos robóticos para eficientar las líneas de fabricación.
Berber [8] se enfoca en los grados de libertad de los manipuladores. En todos estos casos, la
programación y mecatrónica son aspectos protagónicos.
Asimismo, se ha trabajado en el análisis de procesos de manufactura sin arranque de
viruta. Para este efecto, Guerra [20] simuló el proceso de deformación plástica de geometrías
cilíndricas. Siguiendo esta misma línea, Campos [9] evalúa el proceso de conformado plástico
de una abrazadera para bicicleta. Para este efecto simula el proceso y compara con los
resultados que se obtienen en la manufactura de este componente.
Otro aspecto que se ha tocado es el diseño de herramental en procesos de manufactura sin
arranque de viruta. Esto ha sido hecho por Guerrero [21] y García [19]. En ambos casos, se ha
buscado optimizar la fabricación de las piezas involucradas.
En el terreno de los procesos de soldadura, se puede mencionar a los trabajos de
Aguilera [1] y Soto [34]. El primero hace una evaluación de las soldaduras empleadas en
las costuras de tubería de acero inoxidable empleada en partes automotrices. Mientras que
el segundo se enfoca en la automatización del proceso de soldadura en la fabricación de
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
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ademes para minas.
Mención especial se debe hacer el trabajo de Méndez [26], quién con un enfoque
numérico experimental se dio a la tarea de diseñar y fabricar un material compuesto.
Asimismo, otro terreno en el que se ha incursionado es en el de los tratamientos térmicos,
que básicamente están relacionados con endurecimientos superficiales. Como ejemplo de lo
anterior está el trabajo de Ayala [7], entre otros.
Dentro del terreno del Diseño Asistido por Computadora está el trabajo de Díaz [11],
quién lo aplica a optimización de la fabricación de bases para licuadora. Este autor ha
continuado esta línea y ha escrito obras relacionadas con Auto CAD. El material
bibliográfico relacionado es [12, 13,14].
Si bien es cierto que en diversas tesis de la SEPI-ESIME se ha tratado con diferentes
temas relacionado con la manufactura y los sistemas de cómputo, a la fecha no se ha tocado
a profundidad el tema de la Manufactura Asistida por Computadora. Esto es una de las
finalidades del presente trabajo. Es importante que este se complementa con la tesis que
actualmente se encuentra desarrollando Avendaño [6], quién trata este tema enfocado al
fresado modelos a escala.
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CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE MÁQUINAS-HERRAMIENTA
1.1 ENTORNO NACIONAL E INTERNACIONAL DE LA INDUSTRIA
METAL-MECÁNICA
La industria metalmecánica en México es un eje fundamental en la actividad
económica del país, de él se derivan un gran número de industrias que soportan en su
mayoría la actividad industrial en nuestro país (mineras, pesqueras, agroindustriales,
eléctrico-electrónico, siderúrgico, metalúrgico, petrolera y automotriz entre otras). Se está
tratando de utilizar la capacidad instalada ociosa de esta industria metal mecánica,
enfocando esfuerzos a la sustitución de importaciones y desarrollo de exportaciones.
Las empresas del sector metalmecánico están integradas por micro, pequeñas y
medianas industrias; de acuerdo a cifras de la Secretaría de Economía, en el año 2003 se
contabilizaron más de 24 mil establecimientos. Respecto a la participación del Producto
Interno Bruto (PIB), en el 2003, ésta fue de 2.9% y en lo que se refiera al PIB
manufacturero es de 13.6 por ciento [39].
En la República Mexicana, la industria metalmecánica se ubica en la mayoría de las
entidades federativas, resaltando por su importancia Chihuahua, Nuevo León, San Luís
Potosí, Estado de México, Durango, Querétaro, Hidalgo, Jalisco, Puebla y Tamaulipas,
donde se concentra más del 95% de las empresas del sector.
El esquema de producción de las empresas del sector metalmecánico ha evolucionado,
desde la elaboración de operaciones de procesos simples a sofisticados métodos de
manufactura, que pretende cubrir las necesidades del mercado norteamericano, además de
poseer la capacidad e infraestructura que las posibilitan para competir en el mercado
internacional.
En el 2003, el sector metalmecánico generó 1,300,000 empleos.
En este caso, existen oportunidades que se pueden capitalizar en fortalezas, como el hecho
de que grandes empresas del ramo metalmecánico de Estados Unidos amplíen sus
volúmenes de productos mexicanos competitivos.
Así mismo, hay que atender algunas debilidades, como la falta de experiencia exportadora,
altos costos de fletes y servicios, así como de insumos y materias primas, además de la
carencia de registro de marcas y patentes. Por otra parte, se tiene una acentuada
dependencia del mercado norteamericano y se observa el desplazamiento de la producción
nacional por productos de importación [39].
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Es por ello que los fabricantes deben conocer la utilidad y operación del Control
Numérico Computacional que brinda el área de manufactura.
1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS–HERRAMIENTA
CONVENCIONALES
El maquinado es en esencia, el proceso de remover el metal no deseado de barras,
piezas forjadas o piezas vaciadas para producir la forma y dimensión requeridas. El
maquinado se hace desprendiendo el metal en pequeños trozos, a los que se llama viruta,
usando herramientas de corte muy duras y maquinas- herramientas rígidas y potentes [29].
Existen diferentes tipos de máquinas-herramienta y a su vez cada tipo tiene una
subdivisión. En este caso, se hace una clasificación general, evitando se preste a
confusiones. Por lo consiguiente se divide a las máquinas-herramienta en tres grandes
grupos que son: las de taller, las de producción y las especiales. Cualquier tipo de
máquinas-herramienta se encuentra dentro de sus subdivisiones de los tres géneros antes
mencionados.
Máquinas-herramienta de taller. Este tipo usualmente se diseñan con elementos
de trabajo universal y dispositivos de sostén de herramienta, alimentaciones
manuales o automáticas y componentes móviles que permiten el posicionamiento
más fácil de la pieza de trabajo para un corte dado. La potencia disponible es
usualmente baja, debido al gran número de componentes móviles, produciendo
menor rigidez y limitando la profundidad de corte, debido a su mayor tendencia a la
vibración.
Máquinas-herramienta de producción. Se ha diseñado una gran cantidad de
máquinas estándar con la capacidad para realizar trabajo repetitivo de naturaleza, un
poco especializada o de alcance limitado, con mayor calidad de la que se espera
usualmente del equipo del taller de herramientas para trabajo múltiple. Tómese en
cuenta que las máquinas de producción tienen menos versatilidad, menos ajustes,
mayor rigidez, alta potencia y con frecuencia requieren de alimentación o
habilitación mayor que las máquinas-herramienta de taller, pero una vez que se ha
realizado la habilitación, producen trabajos a velocidades más rápidas.
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Máquinas-herramienta especiales. Estas presentan un grado de especialización
aún mayor para lograr disminuir el tiempo de operación, que varia desde aquellas
que son capaces de hacer determinadas operaciones con un tipo específico de
producto, a las que pueden maquinar solo una superficie de una pieza de trabajo
específico.
Fundamentalmente, las máquinas-herramienta ejecutan su función, proporcionando y
produciendo movimientos relativos controlados entre una o más piezas. El material, o bien
se quita, o se deforma en el proceso para producir la pieza a la forma deseada.
En la tabla 1.1 se muestra algunos de los diferentes tipos de máquinas-herramienta,
así como los movimientos relativos entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte
utilizada.
Tabla 1.1 Tipos de máquinas-herramienta [4]
MÁQUINA MOVIMIENTO
DE CORTE
MOVIMIENTO
DE
ALIMENTACIÓN
TIPOS DE
OPERACIONES
Torno mecánico La pieza gira Herramienta y carro
Superficies
cilíndricas,
taladrado,
barrenado, careado
Barrenadora La herramienta gira Mesa
Taladrado,
barrenado, rimado,
careado.
Cepillo de mesa Mesa viajera Herramienta Superficies planas
Taladro La herramienta gira Herramienta
Taladrado,
barrenado,
refrentado y
roscado.
Cepillo de codo Herramienta viajera Mesa Superficies planas
Fresadora
horizontal La herramienta gira Mesa
Superficies planas,
dientes de engranes,
levas, taladrado,
barrenado, rimado y
refrentado.
Sierra Herramienta Herramienta y/o
pieza Corte
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Por herramienta se entiende a aquel instrumento que por su forma especial y por su
modo de empleo, modifica paulatinamente el aspecto de un cuerpo hasta conseguir el
objeto deseado, empleando el mínimo de tiempo y gastando la mínima energía.
Las cuchillas o puntas de herramienta que se emplean en el torno se hacen de uno de
los materiales básicos siguientes: acero de temple al agua y de alta velocidad, materiales no
ferrosos fundidos duros, carburos sinterizados (cementados), cerámicas y diamantes [17].
Las herramientas de corte están sometidas a: a) grandes esfuerzos localizados, b)
altas temperaturas, c) deslizamiento de la viruta por la cara de ataque y d) deslizamiento de
la herramienta por la superficie recién cortada. Estas condiciones inducen el desgaste de la
herramienta que, a su vez, afecta en forma negativa la vida de la herramienta, la calidad de
la superficie maquinada y su exactitud dimensional, y en consecuencia la economía de las
operaciones de corte.
1.3 IMPULSIÓN ELÉCTRICA
En todas las máquinas-herramienta se distinguen dos movimientos básicos:
1. Movimiento principal, cuya misión consiste en asegurar cierta velocidad de corte
del metal por la herramienta.
2. Movimiento de avance, que desplaza la herramienta (en tornos) o, en otros casos, la
pieza (en fresadoras, cepilladoras, etcétera).
Generalmente, el movimiento principal se realiza por medio de un motor eléctrico a
través de una caja de velocidades (cabezal fijo), y el movimiento de avance puede
conseguirse mediante un motor eléctrico individual o por medio de una transmisión
mecánica que emana de la caja de velocidades.
Además de los movimientos básicos citados, las máquinas-herramienta disponen de
un conjunto de movimientos auxiliares, tales como:
Movimiento de ajuste y desplazamiento de la herramienta.
Movimiento para control de maquinado.
Movimiento del sistema de lubricación.
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Movimiento para fijación de la pieza.
Movimiento para fijación de la herramienta.
Las máquinas-herramienta modernas se suministran conjuntamente con los
accionamientos eléctricos necesarios para el movimiento principal, de avance y auxiliares
de acuerdo con las exigencias del régimen de funcionamiento requerido (tipos de carga,
características de regulación, frecuencia de los arranques, etc.) y los factores energéticos
del accionamiento (factor de potencia, rendimiento, etc.), así como también el grado de
seguridad, facilidad de manejo, la comodidad de la puesta a punto, etc [4]. La potencia es
un parámetro muy importante y que está determinado por la impulsión eléctrica, ya que este
establece la capacidad de la máquina.
1.4 MECANISMOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO
PRINCIPAL Y DE AVANCE
Existen diferentes órganos dentro de las máquinas-herramienta, los cuales, por su
desempeño, son considerados dentro de los elementos más importantes. Estos reciben el
nombre de mecanismos, conceptuandolos como el conjunto de piezas o partes que tienen la
función de realizar, variar o controlar un movimiento, o bien, modificar sus características.
Los mecanismos que transforman un movimiento son variados y se utilizan para cambiar de
un tipo de movimiento a otro. La tabla 1.2 muestra una clasificación más específica.
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Figura 1.2 Mecanismos de transformación [4]
1.5 MODOS DE CONTROL
Dentro de los elementos básicos de las máquinas-herramienta, se tiene al método de
control, el cual tiene el mismo valor en importancia que cualquiera de los otros elementos
antes mencionados, ya que existe una interacción entre cada uno de éstos.
Una máquina-herramienta tiene diferentes tipos de controles. Así se puede encontrar
controles eléctricos para arranque y paro; controles selectivos de opción múltiple, usados
para el cambio de velocidades, avances o alguna opción especial. Normalmente, las
velocidades se modifican, ya sea por bandas y poleas, por medio de engranes y palancas, o
MECANISMO
TIPO DE
MOVIMIENTO
TRANSFORMACIÓN
DEL MOVIMIENTO
APLICACIONES
Par tornillo-tuerca
Rectilíneo a
velocidad
constante
De rotativo a rectilíneo
Para imprimir los
movimientos de
avance en torno,
fresadoras, etc.
Par piñón-
cremallera
Rectilíneo a
velocidad
constante
De rotativo a rectilíneo
Movimiento de
avance de árbol del
taladro y del carro
longitudinal en el
torno, etc.
Par tornillo sin
fin-cremallera
Rectilíneo a
velocidad
constante
De rotativo a rectilíneo
Movimiento de
avance en carros,
mesas, etc.
Biela-manivela
Rectilíneo
alternativo
De rotativo a rectilíneo
alternativo
Movimiento de
avance de los
cepillos, etc.
Manivela-colisa
oscilante
Rectilíneo
alternativo
De rotativo a rectilíneo
alternativo
Movimiento de
corte del cepillo de
codo, etc.
Leva
Rectilíneo
alternativo
De rotativo a rectilíneo
alternativo
Movimiento de
avance de la
rectificadora, etc.
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bien, eléctricamente, en el caso de contar con una máquina con motor de velocidad
variable.
Debido a que en este trabajo se menciona sobre maquinado de piezas, para el caso de
este punto en particular, se indican los métodos de control de avance o alimentación para
las máquinas-herramientas de producción.
Control manual. Pocas máquinas de producción se controlan manualmente, aunque
en algunas se hace para propósitos generales. A las máquinas que poseen
alimentación manual, se les conoce como máquinas sensitivas.
Control mecánico. Las máquinas de control mecánico son ajustadas para controlar
mecánicamente la operación de comienzo a final, utilizando algún dispositivo
mecánico.
Control mecánico por levas. En las máquinas que usan control de levas
semiautomáticas, cada operación sucesiva en el ciclo comienza cuando la otra
termina. Las levas usualmente accionan cambios de velocidades, alimentaciones y
avances de corte de la herramienta.
Control eléctrico. En lo que se refiere al control para el movimiento de avance en
las máquinas-herramienta, se realiza en algunas de ellas por medio de un motor
eléctrico, independiente que, normalmente está conectado a una caja de velocidades,
para proporcionar una gama amplia de velocidad. El control eléctrico para el
sistema de avance es auxiliado por elementos de mando y de maniobra, tales como:
contactores, interruptores, conmutadores, relevadores, resistencias de regulación y
de arranque, interruptores de fin de carrera, pulsadores de marcha y par,
posicionadores, etcétera. Los motores más empleados para el accionamiento de las
máquinas-herramienta son: motores trifásicos asíncronos con rotor en corto circuito
y motores trifásicos asíncronos con rotor bobinado [2].
Control electrónico. Se utiliza cuando se requieren velocidades variables y
reguladas en una amplia gama, con precisión y rapidez, pues éste permite
suministrar y absorber elevados pares mecánicos en los dos sentidos de giro. El
control de velocidad de estos motores se realiza por variación de la tensión de
alimentación, pudiéndose alcanzar gamas de velocidad entre 1 y 3000 rpm.
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Control neumático. Es utilizado para movimientos en dispositivos bajo fuerzas
de carga extrema, únicamente cuando la presión considerada es baja. También es
utilizado en elementos de aproximación [4].
1.6 EL TORNO
A una pieza de trabajo en revolución la pone en contacto con una herramienta que se
mueve ya sea transversal o longitudinalmente con respecto al eje de la pieza [23].
De esta forma el torno mecánico es una máquina-herramienta para mecanizar piezas
por revolución, arrancando material en forma de viruta mediante una herramienta de corte.
Esta será apropiada al material a mecanizar y puede estar hecha de acero al carbono, acero
rápido, acero rápido al cobalto, cerámica, diamante, etc., aunque siempre será más dura y
resistente que el material mecanizado.
El torno puede realizar operaciones de cilindrado, mandrinado, roscado, refrentado,
ranurado, taladrado, escariado, moleteado, cilindrado en línea, etc., mediante diferentes
tipos de herramientas y útiles intercambiables con formas variadas según la operación de
conformado que realiza.
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1.6.1 TIPOS DE TORNO Existen varios tipos de tornos y a su vez cada tipo tiene una subdivisión, los cuales
pueden ser:
a) Tornos de no-producción:
Torno paralelo: es el más común y tiene los componentes básicos y puede
efectuar las operaciones ya descritas.
Torno rápido: se utiliza principalmente para operaciones de torneado rápido
de metales, para madera y para pulimento.
Torno para taller mecánico: se utiliza para hacer herramientas, matrices o
piezas de precisión para maquinaria.
b) Tornos de semiproducción:
Tornos copiadores: es un torno paralelo con un aditamento copiador. Copia
el movimiento de las herramientas de corte.
Torno revólver: cuenta con una unidad de alineación para herramientas
múltiples, en lugar de la contrapunta. Tiene diferentes posiciones y puede
ser horizontal o vertical.
Horizontal: se clasifica en ariete o de portaherramientas. Los arietes tienen
torreta para herramienta múltiple montado en el carro superior, el cual es
adecuado para materiales gruesos que necesitan mucho tiempo para tornear
o perforar.
Vertical: pueden operar en forma automática, se alinean con la pieza de
trabajo con un mecanismo o con control numérico. El revólver vertical es de
dos tipos básicos: estación individual y múltiple. Estos últimos tienen
husillos múltiples que se vuelven a alinear después de cada accionamiento.
c) Tornos de producción:
Tornos de mandril automático o tornos al aire: Son similares a los tornos
tipo revólver de ariete o carro superior, excepto que la correa está montada
verticalmente. No tiene contrapunta y el movimiento para el avance se aplica
en la torreta. En estos tornos se utilizan una serie de pasadores y bloques de
disparos para controlar las operaciones.
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Tornos automáticos para roscar: Son automáticos, incluso la alimentación al
sujetador del material de trabajo. Se controlan con una serie de excéntricas
que regulan el ciclo. Son del tipo de husillo individual o múltiple. Los de
husillo individual son similares a un torno revólver excepto por la posición
de la torreta. Los tornos suizos para roscar difieren de los demás en el que el
cabezal produce el avance de la pieza de trabajo. Estos también tienen un
mecanismo de excéntricas para el avance de la herramienta. Estas mueven a
la herramienta de corte que está soportada verticalmente, hacia adentro y
hacia afuera, mientras la pieza de trabajo pasa frente a la herramienta. Los
tornos para roscar con husillos múltiples tienen de cuatro a ocho husillos que
se alinean a diversas posiciones. Cuando se alinean los husillos, efectúan
diversas operaciones en la pieza de trabajo. Al final de una revolución, se
termina la pieza de trabajo.
d) Torno con Control Numérico Computacional (CNC):
El torno CNC es un tipo de torno operado mediante control numérico por
computadora. Se caracteriza por ser una máquina herramienta muy eficaz para mecanizar
piezas de revolución. Ofrece una gran capacidad de producción y precisión en el
mecanizado, por su estructura funcional y porque los valores tecnológicos del mecanizado
están guiados por el ordenador que lleva incorporado, el cual procesa las instrucciones de
ejecución contenidas en un programa que previamente ha confeccionado un programador
conocedor de la tecnología de mecanizado en torno. Es una máquina ideal para el trabajo en
serie y mecanizado de piezas complejas [15].
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15
1.6.2 PARTES PRINCIPALES DE UN TORNO CONVENCIONAL
Las partes principales de un torno paralelo convencional son las siguientes:
Figura 1.1 Partes principales del torno paralelo [40].
a) Bancada: Sirve de soporte para las otras unidades del torno. En su parte superior
lleva unas guías por las que se desplaza el cabezal móvil o contrapunto y el carro
principal.
b) Selector de velocidad: Para lograr una variación de velocidades, mayor que las
limitadas por los mecanismos anteriores, se emplean en algunos tornos variadores
de velocidad mecánicos o hidráulicos.
c) Contra cabezal o cabezal móvil: A veces llamado impropiamente contrapunto,
consta de dos piezas de fundición, de las cuales una se desliza sobre la bancada y la
otra puede moverse transversalmente sobre la primera, mediante uno o dos tornillos.
Ambas pueden fijarse en cualquier punto de la bancada mediante una tuerca y un
tornillo de cabeza de grandes dimensiones que se desliza por la parte inferior de la
bancada. La superior tiene un agujero cilíndrico perfectamente paralelo a la bancada
y a igual altura que el eje del cabezal.
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d) Carro transversal: El carro principal lleva una guía perpendicular a los de la bancada
y sobre ella se desliza el carro transversal. Puede moverse a mano, para dar la
profundidad de pasada o acercar la herramienta a la pieza, o bien se puede mover
automáticamente para refrentar con el mecanismo ya explicado. Para saber el giro
que se da al husillo y, con ello, apreciar el desplazamiento del carro transversal y la
profundidad de la pasada, lleva el husillo junto al volante de accionamiento un
tambor graduado que puede girar poco o fijarse en una posición determinada
e) Carros portaherramientas: Consta del carro principal, que produce los movimientos
de avance y profundidad de pasada, el carro transversal, que se desliza
transversalmente sobre el carro principal, y el carro superior orientable, formado a
su vez por tres piezas: la base, el carro transversal y el portaherramientas. Su base
está apoyada sobre una plataforma giratoria para orientarlo en cualquier dirección.
f) Cabezal fijo: Contiene los engranajes o poleas que impulsan la pieza de trabajo y las
unidades de avance. Incluye el motor, el husillo, el selector de velocidad, el selector
de unidad de avance y el selector de sentido de avance. Además, sirve para soporte
y rotación de la pieza de trabajo que se apoya en el husillo.
g) Portaherramientas: En ellos se ubican las herramientas de corte en distintas
posiciones.
1.7 TRABAJOS QUE SE REALIZAN CON EL TORNO PARALELO
Es el más utilizado, gracias a la universalidad de sus movimientos. Los trabajos
característicos que se realizan en el torno paralelo son:
Cilindrado exterior: Es una operación para dar forma y dimensiones a la superficie
lateral de un cilindro recto de revolución. Se emplea siempre la herramienta
adecuada, recta o curvada, de acuerdo con la operación de desbaste o de acabado.
La posición debe ser correcta para que se pueda realizar toda la longitud de la
pasada sin interrupciones. Hay que asegurarse de que no estorban: el perro, las
garras del plato, la contrapunta, las lunetas, etc. Así como en el desbaste, lo
fundamental no es ni la rugosidad, ni la precisión, sino el rendimiento en la
cantidad de viruta cortada. Por otra parte, el acabado dentro de las limitaciones del
torno, lo fundamental es la precisión en las medidas y la rugosidad, que deben ser
pedidas en los dibujos de taller. Se realiza maniobrando de igual modo que en el
cilindrado de desbaste, pero variando los elementos de corte, como son la
velocidad, el avance y la profundidad de pasada, así como la herramienta.
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17
Refrentado: Se llama así a la realización de superficies planas en el torno. Este
puede ser completo, en toda la superficie libre, o parcial, en superficies limitadas.
También existe el refrentado interior.
Torneado de conos exteriores: En líneas generales, es muy parecido al torneado de
cilindros. Pero presenta algunas peculiaridades.
1.8 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA
CONVENCIONALES
El principio de operación de las máquinas-herramienta convencionales está
íntimamente relacionado con la ingeniería de manufactura (planeación) y la habilidad
práctica del operario. Dependiendo directamente de esta última, el nivel de producción
alcanzado en un día, una semana o durante un tiempo predeterminado. Por lo tanto, se
puede citar que los puntos básicos en los que se fundamenta su principio de operación son
los siguientes [23]:
1. El operario estudia y analiza el plano elaborado por ingeniería de manufactura.
2. Determina el tipo de herramienta posible a utilizar para producir los diferentes
contornos o especificaciones de la pieza requeridos.
3. Delimita la secuencia de operaciones para producir la forma especificada.
4. Precisa el tipo de sujeción adecuada de la pieza o herramienta, según sea el caso, en
función de la secuencia de operaciones antes mencionada.
5. El operario determinará las diferentes velocidades, avances y profundidad de corte,
dependiendo del tipo de operación que se realice (desbaste o acabado), del tipo del
material que se maquine y de la clase de herramienta utilizada.
6. Medición o verificación de las dimensiones de la pieza en función del tipo de
operación ejecutada.
7. Cambio de sujeción de la pieza, herramienta, velocidades, avances y profundidad de
corte en caso de requerirse, para maquinar otra cara de la pieza.
8. En el caso de producir una pieza con más de una cara para maquinar, se repite la
secuencia a partir del punto 4, en caso contrario se continúa con el siguiente paso.
9. Medición o verificación final de las dimensiones requeridas.
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1.8.1 HERRAMIENTAS DE CORTE
Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las
que destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al
desgaste y resistencia a la temperatura.
La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación a realizar, el
material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee,
etc.
Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas
formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen
aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de mediana aleación, aceros de alta
velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes.
Las herramientas de diamante, como los insertos de cerámica, no son de alta
velocidad de corte, pero pueden producir acabados excepcionalmente finos y mantener
tolerancias muy estrechas [29].
1.8.2 FLUIDOS DE CORTE
Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose
en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación
con un corte seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta,
lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la
herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Existen tres tipos:
Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral
Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor
Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad
El acceso del fluido a la cara de ataque es difícil, especialmente a velocidades
elevadas de corte. Sin embargo, el fluido entra a la zona de deslizamiento, y un poco se
puede filtrar desde los lados de la viruta. Los efectos atribuibles a la lubricación
frecuentemente pueden observarse, especialmente cuando el contacto con la herramienta de
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corte es intermitente. En el corte a baja velocidad con fricción deslizante, la fricción en la
cara de ataque se reduce, por lo tanto, el ángulo de corte se incrementa, la viruta se hace
más delgada, se curva más agudamente y el consumo de la potencia baja [33].
1.8.3 VENTAJAS DE LOS ENFRIADORES
La aplicación de los enfriadores presenta las siguientes ventajas en el proceso del
maquinado:
1. Aumentan la vida de la herramienta, bajando la temperatura en la región del filo
principal
2. Facilitan el manejo de la pieza terminada
3. Disminuyen la torsión térmica causada por los gradientes de temperatura producidos
durante el mecanizado
4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la
región de corte.
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1.9 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la actualidad, el uso de máquinas-herramienta con control numérico
computacional se va incrementando. Sin embargo, se debe tener una idea clara con que
volúmenes de producción es adecuado utilizarlas.
Esta tarea se facilita cuando la manufactura asistida por computadora, se utiliza con
programas de diseño asistido por computadora. De aquí que los operarios deben tener una
idea clara sobre el alcance que pueda tener los trabajos realizados cuando se emplean
diversos programas de CAD en sistemas CAM.
Así mismo, las máquinas con control numérico tienen flexibilidad y es posible
maquinar una pieza de diversas formas. Esta situación se presenta en el torno didáctico con
CNC Boxford 250, este está disponible en las instalaciones del laboratorio del Instituto
Tecnológico Superior de Poza Rica. Según análisis preliminares, una pieza se puede
fabricar mediante tres métodos:
Mediante la programación manual de la máquina
Empleando programas CAD con CAM
Generando la trayectoria de la herramienta
Para este efecto es necesario evaluar las ventajas y limitaciones de cada
procedimiento. En este sentido, se maquinará una probeta para un ensayo a tensión y se
realizarán las evaluaciones requeridas, para conocer los beneficios que nos ofrece sobre
esta herramienta que existe actualmente, ya que no solamente es una tecnología mucho más
avanzada, sino que también provee características que expanden su potencia y eficiencia
con respecto a las aplicaciones que compiten en este mercado.
Se está planteando el maquinar la pieza mostrada en la figura 3.3 utilizando los
códigos G y M, esta incluye las operaciones de torneado más comunes y se puede hacer de
acuerdo al torno Boxford 250. Esta es de aluminio y es una pieza que tiene demanda en los
cursos de ensayo de materiales del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica.
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21
CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DEL CONTROL NUMÉRICO
COMPUTACIONAL APLICADO A MANUFACTURA
2.1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL (CNC)
El acrónimo CNC significa Control Numérico por Computadora, y se refiere al
control de máquinas-herramienta por medio de computadoras, con el propósito de fabricar
partes complejas en metal y otros materiales, usualmente de forma repetitiva, empleando un
programa escrito en una notación conocida como Código G.
Los primeros estudios sobre tecnología CNC se hicieron en máquinas-herramienta de
Control Numérico (NC, por sus siglas en inglés) desarrolladas justo después de la segunda
guerra mundial. Las máquinas NC operaban automáticamente con números que se les
proporcionaban, usualmente a través de tarjetas perforadas. Hicieron posible por primera
vez la fabricación de objetos de manera precisa repetidamente. Fue en la década de los
60´s que la maquinaria NC dio lugar a la maquinaria CNC; las primeras investigaciones en
este sentido fueron llevadas a cabo en el Laboratorio de Servomecanismos del Instituto
Tecnológico de Massachussets
Existen diferentes tipos de máquinas-herramienta que pueden ser controladas por
medio de CNC, tales como taladros, cortadoras de plasma, tornos, fresadoras, centros de
maquinado y ruteadores (pantógrafos). La introducción de la tecnología CNC cambió
radicalmente la industria de la manufactura debido a que las curvas son tan fáciles de
producir como una línea recta, se pueden inclusive fabricar ciertas formas tridimensionales
y el número de pasos del proceso de maquinado, en los que se requiere de intervención
humana, se redujeron drásticamente.
Al incrementarse el grado de automatización en los procesos de manufactura con el
maquinado CNC, se pueden alcanzar grandes mejoras en la uniformidad y la calidad de los
productos. Así mismo, se eliminan los errores humanos, al mismo tiempo que los
operadores de la maquinaria pueden atender más tareas al mismo tiempo. Más aún, la
automatización CNC provee mayor flexibilidad de manufactura, pues el tiempo necesario
para modificar el programa de la máquina es bastante reducido, lo cual permite la
fabricación de diferentes piezas con un mismo equipo [24].
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22
2.2 ANTECEDENTES DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL
Las máquinas primitivas, en sus comienzos, dependían enteramente del control
manual de cada función. Con frecuencia, se basaban de los músculos del hombre para hacer
funcionar el mecanismo de movimiento, así como para hacer avanzar la herramienta. Uno
de los primeros modelos de tornos es aquel que utilizaba un pedal para el suministro de la
fuerza, dejando libres las manos del operario para hacer funcionar, detener y operar los
avances longitudinales y transversales, y otras funciones.
En 1947 John Parsons empezó a experimentar con la idea de generar los datos de las
posiciones XY de las curvas y usarlos para controlar los movimientos de las máquinas
herramientas. Posteriormente, en 1949, se otorgó un contrato a la Parsons Corporation para
encontrar un método de rápida producción.
En 1952, el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) demostró exitosamente un
modelo de máquina con control numérico. La máquina produjo exitosamente partes con
movimientos simultáneos en los ejes para el movimiento de las herramientas de corte. El
MIT introdujo el término "control numérico"
En 1955, los modelos comerciales de las máquinas de CN se exhibieron ante el
público.y, en 1957 el CN es aceptado por la industria, instalándose muchas de éstas
máquinas [23].
Hoy día el Control Numérico Computacional es una herramienta imprescindible en
la industria metal mecánica, sobre todo en las encargadas de manufacturar productos desde
los básicos elementales hasta los más complejos.
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23
2.3 DEFINICIÓN DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL.
Un torno CNC es una máquina altamente automatizada capaz de realizar múltiples
operaciones de maquinado con la mínima intervención humana. Las siguientes
características hacen a los tornos con CNC, una máquina productiva y diferente a los tornos
convencionales: Cambio automático de la herramienta, la capacidad de maquinado de
herramientas de corte [32].
El control numérico computacional se puede definir de una forma genérica como un
dispositivo de automatización de una máquina que, mediante una serie de instrucciones
codificadas (el programa), controla su funcionamiento.
Cada programa establece un determinado proceso a realizar por la máquina, con lo
que una misma máquina puede efectuar automáticamente procesos distintos sin más que
sustituir su programa de trabajo. Permite, por tanto, una elevada flexibilidad de
funcionamiento con respecto a las máquinas automáticas convencionales, en las que los
automatismos se conseguían mediante sistemas mecánicos o eléctricos complejos y a veces
casi imposible de modificar. Los elementos básicos del control numérico son:
El programa, que contiene toda la información de las acciones a ejecutar.
El control numérico, que interpreta estas instrucciones, las convierte en las señales
correspondientes para los órganos de accionamiento de la máquina y comprueba los
resultados.
La máquina que ejecuta las operaciones previstas.
A medida que el desarrollo de la electrónica y la informática se aplica a los
controladores numéricos, se potencian extraordinariamente las funciones que permiten
desarrollar, simplificándolos a la vez, los procedimientos de programación y operación de
las máquinas. Los CNC que se construyen hoy día, sólo conservan, de los primitivos NC,
los principios básicos de funcionamiento.
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24
2.4 PROGRAMA DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL
Un programa de control numérico computacional consiste en una secuencia de
instrucciones que hace que la máquina efectúe cierta operación; el proceso más común es
el de maquinado. La programación del control numérico se puede hacer en un departamento
interno de programación, en el taller, o puede comprarse al exterior.
El programa contiene instrucciones y comandos. Las instrucciones geométricas se
refieren a movimientos relativos entre la herramienta y la pieza. Las instrucciones de
procesamiento se refieren a velocidades de husillo, avances, herramientas de corte, fluidos
de corte, etcétera. Las instrucciones de recorrido se refieren al tipo de interpolación y la
velocidad del movimiento de la herramienta o la mesa. Las instrucciones de conmutación se
refieren a la posición de encendido o apagado para el flujo del enfriador, la dirección o la
suspensión de la rotación del husillo, los cambios de herramienta, el avance de la pieza, la
sujeción, etcétera.
La programación manual de la pieza consiste en calcular primero las relaciones
dimensionales de la herramienta, la pieza y la mesa, con base en planos técnicos de la parte.
Las operaciones de manufactura que se harán y su orden. Se prepara entonces una hoja de
programa, donde se detalla la información necesaria para efectuar la operación particular.
La programación manual la puede hacer alguien que conozca el proceso particular de
manufactura, y que pueda comprender, leer y cambiar los programas de la parte. Como ya
están familiarizados con las posibilidades de las máquinas- herramienta y del proceso, los
mecánicos especializados (con algo de adiestramiento en programación), también puede
hacer la programación normal. Sin embargo, el trabajo que hay que hacer suele ser tedioso,
tardado y no económico; en consecuencia, la programación manual se usa principalmente
en algunas aplicaciones de punto a punto [28].
La programación de pieza asistida por computadora implica usar lenguajes de
programación simbólicos, que determinan las coordenadas de puntos como esquinas,
bordes y superficies de la pieza. Un lenguaje de programación es un método para
comunicarse con la computadora; implica usar caracteres simbólicos. El programador
describe, en este lenguaje, el componente que se va a procesar, y la computadora convierte
esa descripción en comandos para la máquina de control numérico.
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25
Existen varios lenguajes disponibles en el mercado, tienen diversas propiedades y
aplicaciones. El primero que usó declaraciones parecidas al inglés (llamado APT, de
Automatically Programmed Tools, herramientas programadas en forma automática) se
desarrolló a finales de la década de 1950. Este lenguaje, en sus diversas formas ampliadas,
sigue siendo el más usado para programación de punto a punto y de trayectoria continua.
Hoy, las piezas complicadas se maquinan con programas de maquinado con base en
gráficas y dibujos asistidos por computadora. Se crea una trayectoria de herramienta en un
ambiente principalmente gráfico, parecido a un programa CAD. El programa o código de la
máquina (Código G) se crea en forma automática.
Antes de iniciar la producción se deben verificar los programas, viendo una
simulación del proceso en una pantalla, o fabricando la pieza con un material poco costoso
(como aluminio, cera o plástico), y no con el material real especificado para la pieza
terminada.
2.5 SISTEMAS DE UNIDADES Y MODOS DE ENTRADA
Los Sistemas de Unidades son las unidades de medición que se usan en un programa
CNC. Todas las máquinas entienden las unidades Métricas (milímetros, mm) y las inglesas
(pulgadas, "). Hay que indicarle a la máquina CNC que unidades se están utilizando.
Algunas máquinas vienen ajustadas de fábrica a pulgadas o a milímetros. Normalmente, al
inicio de un programa CNC se ve; G70 especifica pulgadas y G71 especifica milímetros.
Los Modos de Entrada se refieren al tipo de información coordenada que se ingresa
al programa de la máquina CNC. Existen dos tipos, los cuales son:
Entrada Absoluta, diseñada para el código G90, especifica la distancia desde el
origen o punto cero del programa. El modo Absoluto es el más común.
Entrada Incremental, designada por el código G91, especifica las distancias y
direcciones usando el punto previo como un origen. La entrada incremental a veces
se denomina punto-a-punto. Todos los sistemas CNC pueden conmutar ilimitadas
veces en un programa desde el modo absoluto al incremental y viceversa [30].
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26
2.5.1 SISTEMA DEL PROGRAMA
Este tiene como objetivo fundamental tomar la información suministrada por un
programa de diseño gráfico, filtrarla y convertirla en ordenes de movimiento relativo, que
se suministran al microcontrolador. El uso generalizado de sistemas CAD, ha llevado a
perfeccionamientos importantes en la generación de programas CNC. El ordenador conoce
la geometría que el diseñador ha definido, es decir, las dimensiones de un dibujo están ahí
para beneficio del hombre; son repetitivas en lo que se refiere a la computadora, lo que se
significa que la geometría se puede transferir al programa CAM que ajusta las medidas
producidas por el diseñador a fin de obtener un nuevo conjunto de geometría, y definir la
trayectoria del cortador necesaria para producir la pieza.
2.5.2 CÓDIGO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL
El método tradicional de programación de las máquinas-herramienta se apoya en
códigos estandarizados en forma de instrucciones de máquina (ver tabla 2.1).
Desafortunadamente, los fabricantes de máquinas-herramienta no han acordado una norma
universal para el lenguaje de la máquina (la G y M codificadas, etc.), y esto causa muchos
problemas en el piso del taller de la fábrica; no se puede por ejemplo, transferir programas
que contengan controladores de diferentes marcas. Los sistemas CAD tienen sus propios
formatos individuales, y el International Graphic Exchange Estandar (IGES) se ha
establecido para hacer posible que las empresas intercambien información del CAD en
diferentes sistemas. Una versión abreviada y de aceptación generalizada de éste se utiliza
en el Auto CAD, el formato DXF (Archivo de Intercambio de Dibujo), y la mayor parte de
los sistemas CAM aceptarán un archivo DXF o IGES como entrada [35].
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Códigos de Programación
N Número de Secuencia
G Funciones Preparatorias
X Comando del Eje X
Y Comando del Eje Y
Z Comando del Eje Z
R Radio desde el Centro Especificado
A Ángulo contra los punteros del reloj desde el vector +X
I Desplazamiento del Centro del Arco del Eje X
J Desplazamiento del Centro del Arco del Eje Y
K Desplazamiento del Centro del Arco del Eje Z
F Tasa de Alimentación
S Velocidad de Giro
T Número de la Herramienta
M Función Miscelánea Tabla 2.1 Descripción del código de letras [40].
El modo de dar órdenes a la máquina para que los ejecute tiene ciertas características
que se debe cumplir. De esta forma la máquina ejecuta las ordenes (operaciones) de otra
manera, por lo que cada orden tiene una estructura definid. A cada orden le denominamos
block o bloque de programa.
De manera general, cada block tiene la siguiente estructura:
a) Número de operaciones
b) Código de orden de configuración
c) Puntos coordenados o coordenadas
d) Parámetros complementarios
El modo básico de comunicarse con la máquina herramienta es a través de los
elementos que forman la estructura de un block de instrucciones, en donde cada uno de los
caracteres alfanuméricos tiene un significado y una representación propia.
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28
2.6 NÚMEROS DE SECUENCIA
El Número de Secuencia, también llamado código N, es el número de identificación
del bloque (línea) en un programa CNC. La palabra de código común utilizada comienza
con N, y es el primer código en un bloque.
Muchos CNC no requieren el uso de códigos N, lo cual ayuda a liberar memoria. Sus
principales beneficios son el que permiten la búsqueda fácil en programas largos y la
capacidad de volver a hacer partir un programa en casi cualquier número de línea.
Usualmente, el programador saltará N números entre bloques para dejar espacio para
insertar posteriormente bloques olvidados o adicionales. Por ejemplo N5, N10, N15, etc.
2.7 LOS GRUPOS G Y M
El torno Boxford 250 funciona mediante la ejecución de órdenes de desplazamiento
y de condiciones de entorno. Las órdenes de desplazamiento corresponden a las funciones
G, que tienen relación directa con los movimientos de la herramienta, así como con el
desbastado de la pieza de trabajo. Por su parte, las funciones M entregan las condiciones en
que se trabajará (con o sin lubricante, sentido de giro del husillo, etc.). Para la ejecución de
un programa cualquiera deben activarse varias funciones G y M, las cuales se dividen en
grupos, según el tipo de acción que representen. Las instrucciones de programación utilizan
estos tipos principales de comandos para activar máquinas:
1. Los códigos G, son códigos de control de movimiento, por ejemplo: G0 quiere
decir “moverse a toda velocidad”; G01 es “moverse a velocidad controlada”;
G02 es “moverse en un arco en sentido de las manecillas del reloj”.
2. Los códigos M, son códigos complementarios de control, por ejemplo: M00
quiere decir “parar programa aquí”; M02 es “fin de programa”; M03 es “girar
husillo en sentido de las manecillas del reloj”.
3. Las instrucciones particulares se especifican mediante letras de identificación,
por ejemplo: X200.0 quiere decir “coordenada X 200 mm”; F150 es “avance a
150 mm por minuto”, S2000 es “husillo 2000 revoluciones por minuto”.
Estas funciones se presentan en anexos A y B.
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2.8 FUNCIONES PREPARATORIAS
Las Funciones Preparatorias son los códigos G. Estos son indicados por la letra G y
un número de 2 dígitos. Estos códigos son las funciones más importantes en programación
CNC debido a que dirigen el sistema para el procesamiento de los datos de coordenadas en
una manera particular. Algunos ejemplos son: transversal rápido, interpolación circular,
interpolación lineal, y taladrado. Los códigos G usados comúnmente: G00, G01, G02, G03
2.9 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL CONTROL NUMÉRICO
El control numérico tiene las siguientes ventajas sobre los métodos convencionales
de control de máquinas herramientas:
1. Mejora la flexibilidad de operación, así como la capacidad de producir formas
complicadas con buena precisión dimensional, repetibilidad, menor pérdida por
defectos, grandes tasas de producción, alta productividad y alta calidad de los
productos.
2. Se reducen los costos de herramientas, porque no se requieren plantillas ni
diversos soportes.
3. Son fáciles de hacer los ajustes de la máquina, con microcomputadoras e
indicaciones digitales.
4. Es posible efectuar más operaciones con cada preparación, y el tiempo de inicio
para preparación y el maquinado es menor, en comparación con los métodos
convencionales. Además, se facilitan los cambios de diseño y se reduce el
inventario.
5. Los programas pueden ser preparados rápidamente, y pueden ser llamados en
cualquier momento por los microprocesadores. Una menor cantidad de trabajo
en papel se puede involucrar.
6. Es posible una producción más rápida de prototipos.
7. Se requiere menor capacitación en el operador, que la de un mecánico
especializado, y el operador tiene más tiempo para atender otras tareas en su
área de trabajo.
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8. Se puede trabajar con programa de Diseño Asistido por Computadora.
Las principales limitaciones del control numérico son:
1. El costo inicial del equipo, que es relativamente alto;
2. La necesidad de programación, así como el mantenimiento especial que requiere de
personal capacitado,
3. Como las máquinas de control numérico son sistemas complejos, sus
descomposturas pueden ser costosas, así que es necesario su mantenimiento
preventivo.
Sin embargo, con frecuencia, esas limitaciones son fácilmente compensadas con las
ventajas económicas generales del control numérico.
2.10 PRECISIÓN EN EL POSICIONAMIENTO DEL CONTROL NUMÉRICO
La precisión de posicionamiento en las máquinas de control numérico se define con
la precisión con que la máquina puede ser ubicada en cierto sistema de coordenadas. Una
máquina de control numérico suele tener una precisión mínima en el posicionamiento.
Las tres medidas de precisión importantes en el posicionamiento son: la resolución del
control, la exactitud y la capacidad de repetición. Estos términos se explican con mayor
facilidad considerando un eje único del sistema de posición.
La resolución de control se refiere a la capacidad del sistema para dividir el rango
total del movimiento del eje en puntos estrechamente espaciados que puede distinguir la
unidad de control. La resolución de control se define como la distancia que separa dos
puntos de control adyacentes en el movimiento del eje. En ocasiones, los puntos de control
se denominan puntos direccionales, debido a que son posiciones a lo largo del eje, hacia los
cuales puede dirigirse específicamente la mesa de trabajo.
La exactitud se define en una escena con el caso extremo, en la cual el punto objetivo
se encuentra exactamente entre dos puntos de control adyacentes.
La rigidez de la máquina-herramienta y el juego entre sus engranes y tornillos sin fin
de avance son importantes en la precisión dimensional. Aunque en máquinas antiguas se
eliminaba el juego entre engranes mediante circuitos de absorción de juego (en los que la
herramienta siempre llega a una posición determinada en la pieza desde la misma
dirección). Actualmente, el juego en las máquinas modernas se elimina usando tornillos sin
fin de bolas precargados. También, una respuesta rápida a las señales de comando requiere
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minimizar la fricción y la inercia, por ejemplo, reduciendo la masa de los componentes que
se mueven en la máquina.
2.11 DIFERENCIAS ENTRE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA
CONVENCIONAL Y UNA CON CNC
Se dice que una máquina-herramienta es convencional, cuando utiliza los métodos
tradicionales de maquinado, requiriéndose forzosamente, la presencia de un operador con
cierta especialización, para mantener la máquina trabajando.
La máquina con CNC, en cambio, no requiere la presencia constante del operador, ya
que una vez programada, ejecuta el maquinado sin ayuda del programador, solo se le
necesita para retirar la pieza maquinada y colocar la nueva por elaborar.
Las diferencias más notables entre ambos tipos de equipos son debidas básicamente a
elementos y dispositivos utilizados en su construcción. En la tabla 2.2 se observan
diferencias entre una máquina-herramienta convencional y una máquina con CNC.
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32
Tabla 2.2 Diferencias entre una máquina convencional y una máquina con control numérico computacional [5].
Características a
comparar
Máquina convencional Máquina con CNC
Forma de realizar el cambio
de herramienta
Por el operador en forma
manual y en ocasiones por
palancas de cambio
Automática, programada y
dirigida por el control.
Forma de control de las
dimensiones durante el
maquinado
Por medio de instrumentos
de medición y por las
graduaciones de las
manivelas
Por el control.
Forma de control de las
RPM del usillo principal
Por medio de trenes de
engranes intercambiables
movidos por palancas de
cambio
Automática, programada y
comandada por el control,
utiliza un servomotor y un
encoder.
Forma para desplazar la
mesa o los carros
Trenes de engranes,
manivelas y tornillos sin
fin
Husillos y correderas a
base de bolas o
servomotores.
Tipo de mecanismo del
husillo
Flechas, tuercas partidas y
baleros
Husillos de bolas.
Forma para fresar un
contorno
Por el operador,
manipulando por lo menos
dos manivelas
Programada y comandada
por el control.
Forma para tornear una
rosca
Manual, accionando
palancas y manivelas
Programada y comandada
por el control
La precisión de los
maquinados
Generalmente depende de
la habilidad del operador
Depende de la resolución
del sistema y es máxima y
constante.
Tiempo de maquinado Depende del operador Pre-cálculo y siempre
constante para cada pieza.
Refrigeración Manual accionada por un
interruptor y una llave
Programada y comandada
por el control.
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33
En la tabla 2.2 se puede observar que los elementos mecánicos tradicionales, que por
décadas se han utilizado en las máquinas convencionales, han sido sustituidos en los
equipos con CNC, por otros elementos mecánicos y electrónicos más confiables. En otras
palabras, cualquier función, por extravagante que parezca, puede ser controlada por la
unidad de control numérico siempre y cuando tenga una secuencia lógica y pueda ser
detectada por la máquina, de ahí que la variedad de equipos de control numérico sólo
cambien en la cantidad de funciones adicionales que el equipo pueda realizar; el tamaño del
quipo y la potencia que deba desarrollar. Esta última influirá determinantemente en el
tamaño y potencia de los servomotores y de las unidades de control de velocidad, pero
conservándose el mismo principio de funcionamiento. Así, en la industria moderna, existe
una gran variedad de marcas de equipos manufacturados por diferentes países, que tienen
como única diferencia el lenguaje de programación, lo anterior se debe a que a pesar de que
el control numérico se ha difundido con tanta velocidad, aún no se ha generalizado el
lenguaje universal de programación, sin embargo los lenguajes son muy parecidos [5].
En la técnica CNC, el programa de control es elaborado en la misma máquina. Se
establece un diálogo entre el operario y el ordenador incorporado a la máquina. El medio
de comprensión es un cuadro de maniobra de entrada manual que hay en la máquina. Dado
que un programa de control consta de órdenes para operaciones que se repiten siempre; por
ejemplo roscar, y de las magnitudes variables de las roscas, resulta que cuando se elabora
un programa de control, está ya determinada la división del trabajo, es decir, lo que ha de
realizar el operario y lo que recae en el ordenador.
Gracias a esto, las ventajas de fabricación del control numérico son accesibles ahora
también a la pequeña y mediana empresa. Los altos costos de adquisición respecto a una
máquina tradicional, se justifican cuando la capacidad de almacenamiento del ordenador
está adaptada al tipo de piezas y se dispone de personal calificado.
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34
2.12 SUMARIO
En este capítulo se mencionó los modos de entrada de datos para las máquinas con
Control Numérico computacional, las órdenes de desplazamiento y de condiciones de
entorno, Además, se mencionan las instrucciones de programación que utiliza el torno
Boxford 250. Se mencionan los grupos de códigos de control de movimiento (G) y códigos
complementarios (M), así como las instrucciones particulares (X, F, S), las cuales se
emplearán para realizar una comunicación con la máquina misma.
En el siguiente capítulo se podrá realizar el mecanizado en el torno Boxford 250,
haciendo uso de las tres formas de generar la programación de dicho torno: 1) forma
manual, 2) auxiliado con programa CAD/CAM y 3) creación de trayectorias. Todo esto
para la manufactura de una pieza. En este caso se maquinará una probeta con aleación de
aluminio. Posteriormente se hará una valoración de cada procedimiento.
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CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA PARA LA MANUFACTURA EN EL TORNO DE
CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
3.1 MANUFACTURA
Las máquinas-herramienta de control numérico configuran una tecnología de
fabricación que de la mano de la microelectrónica, la automatización y la informática
industrial ha experimentado, en los últimos años, un desarrollo acelerado y una plena
incorporación a los procesos productivos, desplazando progresivamente primero al hombre
y luego a las máquinas convencionales. Su capacidad de trabajo automático y de
integración de los distintos equipos entre sí y con los sistemas de control, planificación y
gestión de formación, hacen del Control Numérico Computacional (CNC), la base de apoyo
a unas tecnologías de fabricación. Los procesos de manufactura son la forma de transformar
la materia prima, para darle un uso práctico en la sociedad y así disfrutar la vida con mayor
comodidad.
Con el rápido desarrollo de nuevos materiales, los procesos de fabricación se están
haciendo cada vez más complejos [40], de aquí nace la importancia de conocer los diversos
procesos de manufactura mediante los cuales pueden procesarse los materiales. La
fabricación con Control Numérico Computacional juega un papel protagónico. Es por eso
que en el presente capítulo se dan a conocer las tres formas de generar la programación con
el torno didáctico CNC Boxford 250 y sus resultados serán utilizados como referencia de
validación para efectuar una comparación entre los mismos en cuanto a la facilidad de
adoptarlo y poder operar dicho torno, sin previos conocimientos de máquinas-herramienta.
El proceso de maquinado a desarrollar es una probeta de aluminio cuyas
operaciones principales son el torneado y roscado.
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3.2 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO DIDÁCTICO CON
CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
3.2.1 CARCATERÍSTICAS DEL TORNO
A continuación se muestra el torno Boxford 250, el cual cuenta con las siguientes
características técnicas:
* Motor de 2.2 kW
* Chuck de 3 mandíbulas de 125 mm de diámetro
* Torreta de disco automática de 8 estaciones
* Baño de fluido refrigerante (programable)
* Velocidades de bobina en RPM, m/min o in/min
* Configuración de la inclinación de la cama
* Pre-cargado de la reacción anti bolas de los tornillos en todos los ejes.
* Operación en dos ejes simultáneos
* Protección transparente completamente cerrada
* Panel eléctrico integrado
* Velocidad de la pieza en mm/min, in/min, mm/rev, in/rev.
* Capacidad de cortar acero, latón, aluminio y plástico.
* Volteo sobre la cama 250 mm
* Viaje del eje X 200 mm
* Viaje del eje Y 265 mm
* Distancia entre centros 350 mm
* Bobina en reposo para pasar de 35 mm
* Bobina de motor 2.2 kW
* Velocidad de husillo 200-3200 rpm
* Velocidad de avance de 100 % 2000 mm/min
Este se encuentra en el laboratorio del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica, el cual
se utiliza para maquinar piezas mecánicas.
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Figura 3.1 Torno didáctico CNC Boxford 250
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38
3.2.2 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO DE CÓMPUTO
Los requerimientos mínimos que el equipo de computo necesita para que tenga
comunicación con el torno Boxford 250:
Procesador. Debe utilizar un procesador Pentium II, 500 MHz o superior.
Sistema Operativo. Microsoft Windows 95, Windows 98, Windows 2000 o
Windows NT(SP4 o superior).
100 Mb de espacio libre en disco duro, CD ROM, entrada de disco de 3.5 in, disco
flexible de 1.4 Mb.
Requerimientos de memoria RAM.Windows 95 (32 Mb), Windows 98 (32 Mb),
Windows 2000 (128 Mb), Windows NT (256 Mb).
Gráficos. Monitor SVGA-16 bit (alta definición)- 800x600 de resolución mínima
(1024x768 recomendado).
Con estos requerimientos se pueden instalar los programas de CAD/CAM (Auto
CAD y Máster CAM), versión 4.38 o versiones recientes, con los cuales se pueden realizar
la programación y simulación del maquinado de piezas.
3.2.3 PARTES COMPONENTES DEL TORNO CNC
Es conveniente familiarizarse con los nombres de las partes principales del torno con
Control Numérico Computacional Boxford 250 (figura 3.2 a), así como su construcción.
Esto ayudará a comprender como trabaja y el tipo de trabajo que se puede hacer en el
mismo. Cabe mencionar que los nombres de cada uno de los componentes aparecen tal
como se encuentran en el tablero de control.
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Figura 3.2 (a) Partes componentes del Torno didáctico CNC Boxford 250 [25].
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40
Figura 3.2 (b) Desplazamiento de las herramientas [25].
1. EMERGENCY STOP. El botón debe ser girado para liberarlo y permitir que la
máquina inicie. Si la máquina ha realizado un ciclo de producción, este debe ser
repetido desde el inicio.
2. SINGLE BLOCK. Con la máquina funcionando en modo automático controlado
desde la computadora, este permite la operación de solo un block único (línea)
del programa en un momento.
3. MAN. Cuando se enciende, la máquina es operada desde el panel de control
(modo manual), presionando Man se apaga y la máquina es controlada por el
ordenador (modo automático). Al Presionar Man otra vez, se regresa al modo de
operación manual.
4. POWER RESET. Cuando la máquina está conectada y el interruptor se
encuentra encendido, la máquina indica que se encuentra en movimiento, si se
presiona electrónicamente reset después de que no exista señal, en ese momento
se apaga la máquina.
5. FLOOD COOLANT CONTROL. Enciende o apaga la inundación refrigerante.
6. TURRET INDEX. Este indica la posición de la herramienta en el contenedor
(cuando está ajustado).
7. QUILL. Amplía (mueve hacia el porta herramienta) o retrae (mueve desde el
porta herramienta hacia otra parte), a el cabezal móvil neumático opcional cuando
está ajustado.
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8. CHUCK CLOSE/OPEN. Abre o cierra la mandíbula del porta herramientas,
cuando el porta herramientas neumático opcional está ajustado.
9. SPINDLE CONTROLS. Estos controlan la velocidad y dirección de la rotación
del husillo.
Presionando el botón SPIND REV reduce la velocidad en la misma
dirección.
Presionando el botón SPIND FWD disminuye la velocidad del
husillo.
Presiona este botón para detener el giro del husillo.
10. TOOL HOLDER AXIS CONTROLS. Estos cinco botones controlan el
movimiento del porta herramientas, en los ejes X y Z a baja velocidad o rápida,
cuando el botón RAPID es usado.
Mueve el sujetador de la herramienta en el eje X cuando se
presiona.
Mueve el sujetador de la herramienta en el eje Z cuando se
presiona.
SWITCHES HOMING. Con la máquina en modo automático, se presionan los
botones del eje x simultáneamente para iniciar la sujeción de la herramienta en
el eje correspondiente (el primer eje axial).
Presionando el primer botón junto con alguno de los otros cuatro
botones anteriores, se moverá la sujeción de la herramienta en la dirección
indicada.
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11. FEED SPEED CONTROL. Este proporciona el control de disminución de
pasos de la herramienta de alimentación con una velocidad de 0 a 100 % en
incrementos del 10%.
12. CYCLE START. Este conjunto de la máquina está en modo automático y
empieza maquinando desde el programa de la computadora.
13. FEED HOLD. Actúa como un interruptor de control del programa cuando
está presionado, evitando el movimiento de alguna herramienta adicional, hasta
que sea presionado nuevamente.
14. AUTOMATIC LUBRICATOR. Proporciona lubricación constante a las guías
y otras partes móviles. Regulando la válvula que controla el flujo.
15. ONE SHOT LUBRICATION SYSTEM. Levanta la palanca del sistema de
lubricación. Permitiendo a descender su propio peso.
16. AIR PRESSURE REGULATOR. Manda aire comprimido y suministra presión
a todo el sistema neumático.
17. AUTO BAR FEED CONTROL. Este controla el funcionamiento de la barra
automática del equipo.
18. REAR MOUNTED COLLET CHUCK CONTROL. Moviendo la palanca, se
controla en forma manual el collar del chuck.
19. LOW VOLTAGE LIGHT. Es operado por un interruptor que se encuentra en la
lámpara.
20. FLOOD COOLANT FLOW REGULATOR. Controla el flujo del líquido
refrigerante al inyector en el área de la pieza de trabajo.
21. Z-AXIS LIMIT SWITCH. Micro conmutador, operado por un brazo unido al
poste de la herramienta, detiene todo el movimiento en el eje Z, el porta
herramienta se puede mover lejos del chuck solamente en el eje Z.
22. MAINS ISOLATOR. Moviendo el switch rojo a APAGADO aísla la máquina
de toda la energía eléctrica. Moviéndolo a ENCENDIDO se restaura la energía.
Presionando POWER RESET, reinicia la máquina.
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23. MAINS CIRCUIT BREAKER. El resorte negro del botón AFUERA, se
interrumpe el circuito debido a la sobrecarga, cortando toda la energía de la
maquina.
24. E-FOOTSWITCH RESET BUTTON. Estos botones reinician la máquina
eléctrica siguiendo un E-footswitch stop
25. TAILSTOCK QUILL MANUAL CONTROL. Rota el volante en forma
manual, se mueve la pluma hacia a fuera del Chuck.
26. E-FOOTSWITCH. Este interruptor detiene la máquina e interruptores. Para
reiniciar la máquina, el botón reset (23) debe apretarse primero [25].
3.3 DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA A MAQUINAR
Para realizar un programa se debe tener en cuenta varios factores, algunos de ellos
similares a los de las máquinas convencionales. Estos se pueden dividir en geométricos y
tecnológicos.
Los factores de geometría de la pieza contienen datos sobre su forma y dimensiones
de fabricación (plano de taller); además de:
Tolerancias
Acabado superficial
Origen de movimientos
Superficie de referencia, etc.
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44
Los factores tecnológicos hacen referencia a:
Material de la pieza a mecanizar (propiedades mecánicas)
Tipo de mecanizado
Velocidad de corte
Profundidad de pasadas
Revoluciones de la pieza o herramienta
Lubricante
Utillaje, etc.
3.3.1 PLANO DE LA PIEZA
La pieza a maquinar es una probeta de aluminio comercial, cuyas dimensiones están
dadas en milímetros y se observa en la figura 3.3. En el sistema CAD (diseño asistido por
computadora), la pieza que se desea maquinar se diseña en el ordenador con herramientas
de dibujo y modelado sólido. Posteriormente el sistema CAM (manufactura asistida por
computadora) toma la información del diseño y genera la ruta de corte que tiene que seguir
la herramienta para fabricar la pieza deseada; a partir de lo anterior se crea
automáticamente el programa de maquinado, el cual puede ser introducido a la máquina
mediante un disco. Dichas probetas serán utilizadas en un equipo didáctico para pruebas de
tracción. Estas pueden tener un acabado fino para que se puedan apreciar en su análisis de
ensayos, el tipo de rosca es estándar, ya que el equipo al cual se somete la probeta así lo
requiere.
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45
20 40 80 2040
688 ANSI8 ANSI
8
P=1.25
h=0.6495*P
Detalle A
Detalle A
18 P
95°
R=1
1
Nº de
Piezas
Probeta
Designación
1
Pieza
Nº
Aluminio
Material
10 * 220
Medidas
bruto
Figura 3.3 Plano de taller
Antes de empezar a confeccionar un programa de mecanizado se debe conocer bien
el trabajo que se va a realizar en el torno y las dimensiones y características del material de
partida, así como la cantidad de piezas que componen la serie que hay que mecanizar. Con
estos conocimientos previos, se establece el sistema de fijación de la pieza en el torno, las
condiciones tecnológicas del mecanizado en cuanto a velocidad de corte, avance y número
de pasadas.
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46
3.3.2 Selección de la herramienta
La máquina de Control Numérico Computacional cuenta con una torreta porta
herramientas (figura 3.4 a) en la cual van instaladas ocho de ellas:
1. Para torneado con giro a la izquierda
2. Taladro central
3. Para torneado con giro a la derecha
4. Taladro
5. Para roscado exterior
6. Taladro
7. Herramienta para tronzar
8. Buril para interiores
De las cuales, según su posición, se seleccionan de acuerdo a la función que se va realizar.
Figura 3.4 (a) Torreta porta herramientas
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47
Figura 3.4 (b) Posición de las herramientas. Herramientas para exteriores:
1, 3, 5, 7. Herramientas para interiores: 2, 4, 6, 8. [25].
El tiempo empleado para llevar las herramientas a la posición de corte es parte del
tiempo de máquina. Este tiempo puede ser reducido teniendo las herramientas en posición y
secuencia adecuada para su uso y también siempre que sea posible hacer cortes múltiples o
combinados. Para este caso se van a emplear las siguientes herramientas: a) herramienta #
3, para desbastar con corte a la derecha, b) herramienta # 5, para roscar exteriores y, c)
herramienta # 7, para tronzar.
3.3.3 SELECCIÓN DE VELOCIDAD DE CORTE
La velocidad de corte (Vc) recomendada para diversos materiales aparece en la tabla
3.1. Estas velocidades las han determinado los productores de metales y fabricantes de
herramientas de corte como las más convenientes para la larga duración de la herramienta y
el volumen de producción. A cada revolución de la pieza que se trabaja, pasa por su
perímetro una vez por la cuchilla del útil correspondiente, la velocidad de corte constituye
una medida de la rapidez del movimiento de corte, esta será entonces:
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48
Ecuación 3.1
En donde:
es la velocidad de corte de la herramienta en metros por minuto
es la constante pi (3.14159)
es el diámetro de la pieza a tornear
número de revoluciones que aplicaremos al torno
, es el conversor de metros a milímetros de la velocidad de corte Para este caso, se tienen como datos, d=10 mm, n= 1900 rev/min, sustituyendo los
valores en la ecuación 3.1, obtenemos:
Y de acuerdo a la tabla 3.1, se puede tomar el valor de 61 m/min, la máquina misma
obtiene automáticamente el valor.
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49
Tabla 3.1 Velocidades de corte [33].
3.3.4 AVANCE DEL TORNO.
El avance de un torno se define como la distancia que avanza la herramienta de corte
a lo largo de la pieza de trabajo por cada revolución del husillo. Por ejemplo, si el torno está
graduado por un avance de 0.008 pulg/seg (0.20 mm/min), la herramienta de corte avanzará
a lo largo de la pieza de trabajo 0.008 pulg/seg (0.20 mm/min) por cada vuelta completa de
la pieza.
DESBASTADO ACABADO
Material Pulgadas Milímetros Pulgadas Milímetros
Acero de
máquina
0.010-0.020 0.25-0.50 0.003-0.010 0.07-0.25
Acero de
herramienta
0.010-0.020 0.25-0.50 0.003-0.010 0.07-0.25
Hierro
fundido
0.015-0.025 0.40-0.065 0.005-0.12 0.13-0.30
Bronce 0.015-0.025 0.40-0.65 0.003-0.010 0.07-0.25
Aluminio 0.015-0.030 0.40-0.75 0.005-0.010 0.13-0.25
Tabla 3.2 Avances para diversos materiales con el uso de herramientas para alta velocidad [33].
REFRENTADO,
TORNEADO,
RECTIFICACIÓN
Desbastado Acabado Roscado
Material Pies/min m/min Pies/min m/min Pies/min m/min
Acero de
máquina
90 27 100 30 35 11
Acero de
máquina
70 21 90 27 30 9
Hierro
fundido
60 18 80 24 25 8
Bronce 90 27 100 30 25 8
Aluminio 200 61 300 93 60 18
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50
Siempre que sea posible, sólo se deben hacer dos cortes para dar el diámetro
requerido: un corte de desbastado y otro de acabado. Dado que la finalidad del corte de
desbastado es remover el material con rapidez y el acabado de superficie no es muy
importante, se puede usar un avance basto. El corte de acabado se utiliza para dar el
diámetro final requerido y producir un buen acabado de superficie; por lo tanto, se debe
utilizar un avance fino. Para maquinado general, se recomiendan un avance de 0.010 a
0.015 pulg. (0.25 a 0.38 mm) para desbastar y de 0.003 a 0.005 pulg (0.076 a 0.127 mm.)
para acabado fino. En la tabla 3.2 se indican las velocidades recomendadas para cortar
diversos materiales cuando se utiliza una herramienta de acero de alta velocidad. Por lo
tanto, en base a los datos obtenidos de la ecuación 3.1, se puede considerar un avance de
0.75 mm para el material a mecanizar.
3.3.5 SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE
Algunas operaciones de corte se realizan en seco, es decir, sin la aplicación de un
fluido de corte o, como algunas veces se llama, sin refrigerante.
El fluido básicamente cumple tres funciones principales:
1. Lubricación: A velocidades donde se forma una acumulación en el borde en
ausencia de un lubricante, el inicio de la acumulación se desplaza a velocidades más
altas. A velocidades mayores, donde se desarrolla una zona de adhesión, la longitud
de ésta se reduce. En todas las velocidades, el acceso del lubricante a la cara del
flanco es posible y se reduce la fricción. El efecto combinado es que, en general, el
acabado superficial también mejora.
2. Enfriamiento: Como el cortante está altamente concentrado y la zona de corte se
mueve extremadamente rápido, las temperaturas en la zona de corte no se afectan.
Sin embargo, un fluido de corte reduce la temperatura de la viruta a medida que deja
la zona secundaria de corte, y enfría la pieza de trabajo. También puede reducir la
temperatura volumétrica de la herramienta. Aunque las relaciones no son en manera
alguna sencillas, a menudo se encuentra que un fluido de corte disminuye
suficientemente las temperaturas para permitir el corte a velocidades mayores. No
obstante, en la mayoría de los casos es esencial que el fluido se aplique a la zona de
corte.
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51
3. Remoción de la viruta: Los fluidos empleados en el corte cumplen una función
adicional y algunas veces extremadamente importante: retiran las virutas de la zona
de corte y evitan que la herramienta se tape o se atasque [22].
Los lubricantes de corte y refrigeración para trabajar en las máquinas-herramienta
diversos materiales, se muestran el la tabla 3.3. Para el caso particular del mecanizado, se
emplea el refrigerante de clase 4 o 5, porque ayuda a la disipación del calor generado
durante la creación de la viruta y protege a la pieza, herramienta y máquina, contra la
oxidación y corrosión.
Material a
trabajar
Clase de trabajo
Tornear Taladrar Fresar
Acero
Inoxidable
3 3,6 3
Aluminio y
sus
aleaciones
4,5 5 5
Cupro-
aluminio,
bronce , latón
1,2 2 2
Materiales
plásticos
1 1 1
Tabla 3.3 Tipos de lubricantes para maquinados [10].
Clave de los lubricantes y refrigeración de la tabla 3.3
1= en seco
2= En agua con 5 % de aceite soluble (taladrina)
3= Agua con 8 % de aceite soluble (taladrina)
4= Petróleo
5= Petróleo con 10 % de aceite mineral
6= Aguarrás 40 %, Azufre 30%, Albayalde 30 %
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Una utilización adecuada del lubricante, es de suma importancia para las operaciones
de corte de los metales; muchos fracasos en el rendimiento de las herramientas y calidad
del trabajo producido, se deben a no emplearse el lubricante que corresponde en función del
material a trabajar [10].
3.4 PROCESO DE MAQUINADO EN EL TORNO BOXFORD 250 CON CNC
El proceso de maquinado comprende todo el conjunto de datos que el control
necesita para la mecanización de la pieza.
Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se
le denomina bloque o secuencia, que se numeran para facilitar su búsqueda. El programa
contiene todas las instrucciones necesarias para el proceso de mecanizado.
A continuación, y a modo de establecer algún tipo de comparación, se detallan tres
formas de programar el torno didáctico Boxford 250 con CNC, el primero utilizando modo
manual, el segundo auxiliado por los programas de CAD/CAM, en este caso Auto CAD y
Máster CAM y el tercero utilizando Creación de Trayectorias. Para cuestión de análisis, los
datos de entrada que se piden son: a) tipo de material, b) dimensiones de la pieza y c)
unidades a trabajar.
Para el tipo de material, se sabe que es aluminio comercial, las dimensiones de la
pieza, son las que se aprecian en la figura 3.3, mientras que las unidades a trabajar son mm.
3.4.1 UTILIZANDO MODO MANUAL
El procedimiento adoptado en programación manual, es escribir a mano en códigos
ISO de máquina, cada detalle del proceso necesario, especificando la secuencia de
operaciones, coordenadas de cada punto, funciones de máquina, velocidades de avance, etc.
El programa se teclea entonces en la computadora de la máquina, la cual contiene
medios para ver la trayectoria programada del cortador, para comprobar si existen errores
antes de que se inicie el corte se hace la simulación, ver anexo c.
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Figura 3.5 Diagrama de flujo de un proceso de maquinado
Habilitar material
Obtener cálculos de
velocidad de corte,
profundidad, avance
Elegir herramienta y
configurar tamaño Billet
10 x 220
Cilindrar a 8 mm, utilizando
interpolación lineal, con
herramienta # 1
Número de pasadas
Cilindrar parte central de la probeta
a 6 mm con herramienta # 1 y
tronzar extremo final con
herramienta # 7
Parar la máquina y hacer
cambio de la probeta,
roscando extremo derecho,
con herramienta #5
Número de pasadas
Número de pasadas
Parar la máquina y colocar probeta
manualmente, roscando con paso
1.25 mm, extremo izquierdo, con
herramienta # 5
Fin
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54
El método tradicional de programación del torno con Control Numérico
Computacional es con códigos en forma de instrucciones de máquina (ver anexos A y B).
De acuerdo al modelo en forma manual, primeramente se realiza el plano de la pieza (figura
3.3), con sus respectivas dimensiones, con ello se buscan las herramientas adecuadas para
su manufactura. Con respecto al material a maquinar, se utilizó aluminio comercial. Las
tablas 3.1 y 3.2, hacen referencia a velocidad de corte y velocidad de avance,
respectivamente, de la herramienta de corte. Para este caso se obtuvieron los siguientes
datos: Vc = 93 m/min, una velocidad de avance de 0.75 mm/rev. La fuerza de corte para
aleaciones de aluminio puede variar ampliamente a bajas velocidades (30 a 60 m/min).
Posteriormente, con la ayuda de los anexos A y B (de códigos G y M), se introducen en la
computadora todos los códigos necesarios para la programación, para que la misma
máquina los pueda interpretar. De esta manera puede ser posible la simulación, la cual es
vista en la computadora instalada con el torno. Cabe hacer mención que el material se
posiciona manualmente entre centros para efectuar su maquinado y el tipo de rosca a
elaborar es tipo estándar, porque así lo requiere el equipo de ensayos a tensión.
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3.4.2 UTILIZANDO MÁSTER CAM AUXILIADO CON CAD
Máster CAM es un paquete computacional de apoyo a la generación de programas de
control numérico, permite la generación de geometría y rutas de herramientas en dos y tres
dimensiones, ofreciendo soluciones para torneado, fresado, electroerosión por alambre y
diseño en 3 dimensiones.
Con el programa Máster CAM, versión 4.38 (Manufactura Asistida por
Computadora), se logra diseñar y mecanizar desde el editor de operaciones. De acuerdo
con la siguiente lista de actividades, es posible realizar la simulación y manufactura de una
pieza a maquinar.
No. DESCRIPCIÓN
1 Abrir programa Máster CAM, incorporado en la máquina misma.
2 Localizar las propiedades de la máquina a utilizar para el maquinado
3 En cuadro de diálogo para selección de parámetros, definir características del
chuck, tipo de material que se emplea, en este caso aluminio y herramienta de
corte.
4 Realizar el dibujo en Auto cad, el cual se encuentra incorporado en el mismo
programa, tomando en cuenta las dimensiones del material en bruto.
5 Posicionar el material manualmente en la máquina, debidamente centrado.
6 Preparar la geometría para el roscado, en ambos lados de la pieza .Esta se
llevará a cabo al final del maquinado
7 Al efectuarse el roscado del primer extremo, se procederá a realizar el cambio
manualmente para continuar con el segundo extremo.
8 Efectuar la simulación, observando el trayecto de la herramienta y acabado de
la misma.
Tabla 3.4 Lista de actividades para emplear el método Máster CAM auxiliado por CAD
A continuación se muestran los pasos para realizar la mecanización de una pieza,
con este programa se diseña y se genera el código, el cual va a ser interpretado por el torno
CNC y así llevar a cabo el mecanizado de dicha pieza.
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Actividad 1: Primeramente se localizan las propiedades de la máquina.
1. < Properties < files < cambiar en Group name a Machine provt
2. Cambiar en Toolpath name a: Machine_provet.NC
3. < Tool Settings < From material como método de cálculo de velocidad de corte
4. < Select, desde la barra desplegable Source: < Lathe library < Aluminum 5050 <
Ok
Figura 3.6 Propiedades de la máquina
Actividad 2: Se definen los perfiles de chuck y herramienta:
1. < Stock setup < Left spindle < Parameters
2. Se introducen las dimensiones del material en bruto: El diámetro (OD): 10 y la
longitud: 200
Si se van a realizar perforaciones se introduce el diámetro de la broca seleccionando ID
3. Introducir en Base Z: 1.0 (la distancia a la cual estará ubicada la herramienta de
corte) < On right face, que le indica a Máster CAM que el material está a la izquierda para
comenzar a cortarlo en la dirección -Z
4. < Preview < Enter
5. < Ok
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Figura 3.7 Perfiles del chuck y herramienta
Actividad 3: Se definen las características del chuck
1. < Left Spindle < Parameters, llenar como se indica:
Figura 3.8 Características del chuck
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2. < Ok cuando termine
3. En Display Options: des seleccionar Right stock porque el chuck gira hacia la izquierda
4. Deberá observarse un cuadro de diálogo como el que se muestra
5. < Ok
Figura 3.9 Cuadro del diálogo para seleccionar parámetros
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Actividad 4: Definir los parámetros de mecanizado, crear la trayectoria de careado, con
husillo girando a la izquierda, porque la herramienta a utilizar es con giro izquierdo.
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath
Elegir una herramienta de corte por la derecha: T0101 R0.8
< Face parameters < Use stock para indicarle a Máster Cam el material que será removido
Introducir 0.01 en el campo Finish Z
Introducir 2.0 en Entry amount
Seleccionar la opción: Rougt stepover , esto se aprecia en figura 3.13.
Deseleccionar Finish stepover, ya que no se requiere una pasada de acabado fino
Introducir 1.0 en Overcut amount
Introducir 0.2 en Stock to leave, < Ok
Actividad 5: Realizar el dibujo tomando en cuenta las dimensiones del material
Hacer los trazos comenzando por el centro de la pieza (1/4 de la pieza, vista seccional),
tomando en consideración el diámetro de la pieza.
Figura 3.10 Trayectoria de careado
Actividad 6: Preparar la geometría para carear
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.12
< Ok cuando termine
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Figura 3.11 Seleccionar puntos a encadenar
Actividad 7: Preparar la herramienta de corte para carear
1.- Introducir los valores como se indica:
Figura 3.12 Propiedades de la herramienta de corte para carear
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Actividad 8: Preparar la geometría para roscar
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.13
< Ok cuando termine
Figura 3.13 Seleccionar la geometria para roscar
Actividad 9: Seleccionar la herramienta adecuada:
Figura 3.14 Seleccionar herramienta adecuada para roscar
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Actividad 10: Preparar la herramienta para roscar
1.- En Thread shape parameters->
2.- Introducir los valores como se indica:
Figura 3.15 Introducir valores en cuadro de dialogo para roscar
3.- En Thread cut parameters->
4.- Introducir los valores como se indica:con quince pasadas(realizar corte burdo ).
Figura 3.16 Determinar el número de pasadas
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Actividad 11: Preparar la geometría para cilindrar angularmente
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura, ya que
inicialmente todas las herramientas son montadas en la torreta de la máquina.
Ok cuando termine
Figura 3.17 Geometría para el cilindrado
Actividad 12: Seleccionar la herramienta adecuada->OK: para este proyecto es la
herramienta T1717, Ya que es la más idónea para trabajar con el roscado.
Figura 3.18 Selección de herramienta adecuada para el roscado
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1.-En Groove shape parameters->: siendo el ángulo de ataque de 90º, para el corte de los
radios.
Figura 3.19 Determinar el ángulo de la ranura
2. - En Groove rough parameters->:
Figura 3.20 Seleccionar tipo de acabado suave
Actividad 13: Preparar la geometría para cilindrar
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.21
< Ok cuando termine
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Figura 3.21 Encadenar los puntos para cilindrar
Actividad 14: Seleccionar la herramienta para realizar el corte
1.- La herramienta será la misma que el paso anterior, T1717 R0.1
2.- En geometry: seleccionar el sentido del corte: izquierdo, porque una vez mecanizada la
pieza, se montara a un equipo de pruebas de tensión, en el cual se sujetara con tuercas a los
extremos de dicha probeta.
Figura 3.22 Seleccionar sentido de corte
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Actividad 15: Preparar la geometría para cilindrar angularmente la segunda fase
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura
< Ok cuando termine
Figura 3.23 Cilindrar la segunda fase, con la misma herramienta
Actividad 16: Selección de la herramienta y el ángulo de corte:
1.- La herramienta sigue siendo la misma->
2.- El ángulo no cambia, es igual al anterior->
3.- En Groove walls->Smooth
3.-OK
Actividad 17: Preparar la geometría para cilindrar angularmente la segunda fase
Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Thread Toolpath
Encadenar: < Partial chaining mode
Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.23
< Ok cuando termine
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Figura 3.24 La figura muestra los puntos a encadenar, para realizar el cilindrado
Actividad 18: Selección de la herramienta:
1.- La herramienta sigue siendo la misma, por ser una pieza simétrica
Figura 3.25 tipo de herramienta para roscar
Actividad 19: Preparar la herramienta para roscar
1.- En Thread shape parameters->
2.- Introducir los valores como se indica en la figura 3.26
3.- OK
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Figura 3.26 Intoducir valores para el roscado
Actividad 20: Maquinar la pieza:
1.- Seleccionar todas las actividades->
2.- En verify select operations->
3.- Para ver la herramienta de corte: Poner en simulate tool and holder->
Figura 3.27 Seleccionar simular todas las actividades
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69
4.- Simular->: para observar la pieza a obtener
Figura 3.28 Modelo de la pieza obtenida, mediante la simulación
Mediante la simulación, se genera el Código para la mecanización de la pieza
(probeta). Después de probado, el programa de la pieza está listo para la ejecución en modo
automático.
Generación del código
Maquinado de la probeta
[GM HEADER]
type=lathe
machine=250PC
machine serial no=L_8167
units=mm
tailstock=0
material=ALU(2011)/BRASS(CZ121M),6.29
bar size=10,0,220
bar shape=CYL-Z
last operation=SIMULATE
program length=83
T1=1= T=1 P=1 D=10.000 C=20.000 A=55.000 SD=12.000 SH=50.000
O=32.000 QD=0 XC=1.000 YC=1.000 PAS=3 DIR1=CCW TR1=0.000
WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.980 Z=4.110
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70
T2=7= T=11 P=7 D=2.100 C=4.500 C2=4.500 SD=16.000 SH=50.000
QD=0 XC=0.200 YC=4.500 SD2=1.800 SH2=14.500 PAS=3 DIR1=CCW
TR1=0.000 WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.540 Z=4.470
T3=3= T=2 P=3 D=10.000 C=20.000 A=55.000 SD=12.000 SH=50.000
O=32.000 QD=0 XC=1.000 YC=1.000 PAS=3 DIR1=CCW TR1=0.000
WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.750 Z=-16.410
estimated time=00:01:16
COMENTARIO: Máster CAM versión 4.38comienza a generar la codificación en forma
automática, cuando inicia la simulación en el programa de la máquina misma.
[PROGRAM]
(CAM versión 4.38)
G21
COMENTARIO: Primeramente realiza un careado a la pieza a maquinar, utilizando la
herramienta # 1 a una velocidad constante de 225 m/min.
T01
X30 Z10
G96 M04 S225
G99
G00 Z0
X11
G01 X-1 F0.09
G00 Z1
COMENTARIO: Se realiza un desbaste, reduciendo el diámetro de la pieza con la misma
herramienta (# 1).
X12
X9
G01 Z-202.6
X12.5
G00 X18
G01 X12
G00 X14
Z-60
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TESIS DE MAESTRÍA
71
G01 X9
X7.11 Z-61.8
Z-139.796
X11
COMENTARIO: Finaliza con la herramienta # 1y realiza el cambio de herramienta (# 7),
para llevar a cabo la reducción del diámetro central de la pieza.
X12
G96 M04 S250
G00 X13.5
Z1
X8
G01 Z0 F0.05
Z-60
X6.11 Z-61.8
X6.1 Z-138.9 F0.09
X6 Z-139 F0.05
G02 X8 Z-140 R1
G01 Z-200
Z-202.6
X11
G00 X30
M05 Z10
T07
G96 M04 S225
G00 Z-62.6
X12.5
G01 X6.368 F0.09
G00 X8
X11.45
Z-63.1
G01 X6.1
G00 X6.95
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TESIS DE MAESTRÍA
72
COMENTARIO: Cuando finaliza con la herramienta # 7, efectúa el cambio a herramienta
(# 3), para realizar los radios, los cuales hacen la diferencia de diámetros.
X30
M05 Z10
T03
G96 M04 S250
G00 Z-65.5
X10.5
G01 X 6 Z -61
G03 X 8 Z -60 R1 F0.05
G00 X30
M05 Z10
T07
G96 M04 S250
(OK)
G00 Z-63.1
X10.5
G01 X6
Z-139
COMENTARIO: Nuevamente se realiza el cambio de herramienta, (# 7) y partiendo desde
la posición inicial, se lleva a cabo la última pasada a la pieza maquinada, con la
herramienta # 1.
G00 X11
Z-202.2
X10
G01 X8 Z-202.1
X-1
G00 X30
M05 Z10
T01
M30
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NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250
TESIS DE MAESTRÍA
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MAQUINADO DE ROSCAS
[GM HEADER]
type=lathe
machine=250PC
machine serial no=L_8167
units=mm
tailstock=0
estimated time=00:01:23
material=ALU(2011)/BRASS(CZ121M),6.29
bar size=8.00,0.00,61.50
bar shape=CYL-Z
start number=10
last operation=SIMULATE
program length=36
material removed=142.12
T1=1=
T=1,P=1,D=10.000,C=20.000,A=55.000,SD=12.000,SH=50.000,O=32.000,
QD=0,XC=1.000,YC=1.000,PAS=3,DIR1=CCW,TR1=0.000,WEAR1=0.00
0,FIT=YES,X=71.980,Z=4.110
T2=5=
T=4,P=5,D=3.200,C=4.000,A=30.000,SD=16.000,SH=50.000,QD=0,SD2=1
2.000,SH2=18.000,PAS=3,DIR1=CCW,TR1=0.000,WEAR1=0.000,FIT=Y
ES,X=71.600,Z=2.590
COMENTARIO: Haciendo uso del mismo programa de Máster CAM versión 4.38 se
comienza a generar la codificación en forma automática, cuando inicia la simulación en el
programa de la máquina misma.
[PROGRAM]
(CAM versión 4.38)
G21
COMENTARIO: Primeramente se realiza un careado a la pieza a maquinar, utilizando la
herramienta # 1 a una velocidad constante de 225 m/min. Verificando de esta manera las
dimensiones proporcionadas por el usuario.
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T01
X30 Z10
G96 M04 S225
G99
G00 Z0
X9
G01 X-1 F0.09
G00 Z1
X10
X15.5
COMENTARIO: Cuando finaliza la operación con la herramienta # 1, hace el cambio a
herramienta # 5 para realizar el roscado externo, con un paso de rosca de 1.25mm.
X10
G96 M04 S250
G00 X8
G01 Z0 F0.05
Z-20
Z-60
X9
G00 X30
M05 Z10
T05
G97 M04 S350
G00 Z2
X10
G76 P20060 Q50 R0.05
G76 X6.62 W-22.5 P690 Q179 F1
COMENTARIO: Finaliza la operación de la herramienta # 5, y concluye su tarea
encomendada, retirando la torreta a su posición inicial.
G00 X30
M05 Z10
T01
M30
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75
3.4.3 UTILIZANDO CREACIÓN DE TRAYECTORIAS
La función de este método se apoya principalmente en la creación de líneas o
trayectorias, formando la geometría deseada con sus respectivas dimensiones, para lo cual
pone de manifiesto la ejecución de las operaciones por efectuar. Considerando las
dimensiones de la figura 3.3, la cual es creada con el Diseño Asistido por Computadora
(CAD) versión 2000, el cual viene incorporado con la máquina misma. Se procede a
realizar el contorno geométrico de la pieza por medio de líneas, construyendo totalmente la
geometría deseada. Todo esto se puede llevar a cabo, siguiendo el orden de una lista de
instrucciones.
La secuencia para la elaboración de la pieza a manufacturar en el torno Didáctico
con Control Numérico Computacional Boxford 250, aplicando creación de trayectorias, es
la siguiente:
No. DESCRIPCIÓN
1 Abrir el programa Boxford V10 CAD/ CAM, instalado en la computadora para
el torno Boxford 250, y elaborar el diseño de la pieza a manufacturar.
2 Especificar el tipo de material que se va a utilizar, ya que el mismo programa
despliega las opciones: acero, aluminio, plástico.
3 Especificar las dimensiones de la pieza a maquinar
4 Poner a punto la máquina y la herramienta
5 Refrentar la cara de la pieza
6 Trazar línea de coordenada(X = 0, Z = 0) hasta(X = 0, Z = 8) para refrentar la
sección frontal de la pieza.
7 Desbastar la pieza a todo lo largo de su longitud, para obtener el diámetro de 8
mm.
8 Desbastar la parte central de la pieza, creando un radio de r = 1.00 mm y
diámetro de 6 mm
9 Simular el proceso de maquinado, para verificar el acabado deseado
10 Generar la codificación para ejecutar físicamente el maquinado de dicha pieza.
Tabla 3.5 Lista de instrucciones para creación de trayectorias
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PASOS PARA GENERAR EL PERFIL DE LA PROBETA
1. AL abrir el programa Boxford V 10 CAD/CAM, instalado en la computadora. Se
despliega la siguiente pantalla de la figura 3.32, y se procede a seleccionar nuevo
documento de CAD.
Figura 3.29 Menú principal del programa
2. Especificar el billet (material de trabajo) de 10 mm de diámetro y una longitud de
200 mm, considerando que el material a trabajar es aluminio.
Figura 3.30 Especificación de material a trabajar
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3. Trazar una línea de la coordenada x = 0, z = 0 hasta x = 0, z = 8 para carear la parte
frontal, la cual debe ser plana y perpendicular a su propio eje, por lo cual se refrenta
ésta antes de proceder el maquinado.
Figura 3.31 Dimensiones para refrentar la pieza muestra
4. Utilizando la herramienta # 3 para cilindrar, se realiza el desbaste a lo largo de la
longitud, obteniendo un diámetro de 8 mm.
Figura 3.32 Trazado de líneas para generar roscado
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5. El adelgazamiento central de la barra se crea de 1mm de radio para que la parte
central obtenga un valor de 6 mm, comienza en x = 8, z = -60 hasta x = 6, z = -61.
Figura 3.33 Incorporación de valores para el adelgazamiento de la pieza muestra
6. Se traza una línea recta desde x = 6, z = 61 hasta x = 6, z = -139.
Figura 3.34 Formación de redondeo en el primer extremo
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7. Se realiza el segundo redondeo radio = 1mm. Desde x = 6, z = -139 hasta x = 8,
z = -140.
Figura 3.35 Formación de redondeo en el segundo extremo
8. El trazo de la parte recta del extremo posterior se realiza con una línea desde x = 8,
Z = -140 hasta x = 8, z = -180.
Figura 3.36 Trazado de línea en extremo posterior
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80
9. Realizar el roscado de la parte final con un paso de rosca de 1.25mm de acuerdo al
diámetro de 8 mm, desde x = 8, z = -180 hasta x = 8, z = 200. Cabe mencionar que
el cambio para roscar el otro extremo se hace en forma manual.
Figura 3.37 Trazado para elaboración de roscado
10. En la barra de menú principal, File ejecutar Process Billet para generar el código G
y M, y posteriormente ejecutar la simulación del maquinado.
Figura 3.38 Módulo para generar código G
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81
11. Seleccionar el material con el cual se realizará la pieza y verificar las dimensiones
del Billet.
Figura 3.39 Verificando dimensiones
12. Elegir donde se guardara el archivo ejecutable de códigos G y M
Figura 3.40 Ejecutando códigos G y M
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13. Ejecutar la simulación para verificar que no existan errores en el maquinado.
Figura 3.41 Simulación de manufactura
Cabe hacer mención, que al realizarse la simulación en el programa Máster CAM, se
genera la codificación del maquinado, la cual es exactamente la misma que se observa en la
página 69.
Figura 3.42 Perfil de la probeta
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3.5 SUMARIO
En este capítulo se presentaron los tres modelos para la programación del torno
didáctico Boxford 250, se puede apreciar la facilidad o lo complejo que resulta de trabajar
con cada uno de ellos, observando las ventajas y desventajas de los mismos. El código que
se genera para el maquinado de la pieza es el mismo para los tres casos, es por esa razón
que no se escribió para cada uno de los casos.
Así mismo cabe mencionar que para cada uno de estos procedimientos se debe contar
con un conocimiento básico de máquinas-herramienta y de Control Numérico
Computacional.
En el siguiente capítulo se realiza una comparación de resultados, sobre cuál método
es recomendable para la enseñanza del personal no experto en programación.
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CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN DE RESULTADOS
4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PROGRAMAS UTILIZADOS
Las unidades de control de la máquina con Control Numérico Computacional tienen
medios para almacenar datos, es decir memoria. Esta característica hace posible que el
contenido de la memoria pueda ser leída. De ahí en adelante, la operación de la máquina-
herramienta se puede controlar desde la memoria cada vez que el componente se maquine.
También el operador puede editar el programa ahí mismo para corregir errores menores.
Los tres modelos presentados en este trabajo de tesis producen un archivo para que el
usuario de la máquina lo use como base para el programa de Control Numérico
Computacional por transferencia directa al programa que genera el código de la máquina.
Según sea el método que se utilice, será necesario que el usuario verifique que se siga el
procedimiento correcto en la preparación para realizar el maquinado con buena calidad.
En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la evaluación de los tres
modelos para programar el torno didáctico con Control Numérico Computacional Boxford
250: Manual, Auxiliado con programas de CAD/CAM y Creación de trayectorias. Con la
finalidad de corroborar la efectividad de estas técnicas en el mecanizado de una pieza de
aluminio, para este caso una probeta con dimensiones ya especificadas en el capítulo 3.
El torno didáctico Boxfrod 250 con CNC tiene la capacidad de interpretar
instrucciones de código que pueden ser generadas por medio de programas escritos por un
usuario o generados por herramientas CAD/CAM. Dichas instrucciones están formadas por
combinaciones de letras, números y ciertos símbolos, los cuales, al ser escritos en un orden
lógico y de forma predeterminada, permiten el maquinado de una cierta pieza. Este tipo de
código dota a la máquina de una elevada seguridad, precisión y flexibilidad de
funcionamiento. Los programas CNC están formados por dos tipos de código: El código G,
el cual está formado por funciones preparatorias que gobiernan los movimientos de los ejes
de la máquina (movimientos rápidos, avances, pausas y ciclos especiales); y el código M
que está formado por funciones auxiliares que activan procesos tales como, control del
líquido enfriador, conexión y dirección del husillo, cambio de herramienta, fin del
programa, entre otras.
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85
Los sistemas de CNC se gobiernan por un conjunto de aproximadamente 70 instrucciones
de código G y 15 instrucciones de código M. La cantidad de instrucciones G y M puede
llegar a variar dependiendo del fabricante del sistema CNC. Para el caso del presente
trabajo se contempla que contenga las instrucciones mínimas requeridas para llevar a cabo
tareas de torneado, para lo cual se calcula que se requieren 15 instrucciones tipo G y 5
instrucciones tipo M. Las instrucciones contempladas de tipo G, abarcan códigos
relacionados con la interpolación lineal y circular, ciclo de roscado, tipo de unidades, por
mencionar algunas. Mientras que las instrucciones contempladas de tipo M abarcan
acciones como activación del husillo, cambio de herramienta y fin de programa, entre otras.
4.2 PROGRAMACIÓN MANUAL DE UN CNC
La aparición del Control Numérico Computacional ha hecho posible la introducción
de datos de una manera más cómoda mediante el uso de otros periféricos conectados a la
máquina misma. Uno de ellos es el panel de control que tiene incorporado el torno
didáctico Boxford 250. Dicho controlador lleva incorporado una serie de selectores y
pulsadores que abarcan todas las informaciones necesarias para el funcionamiento en el
maquinado de piezas.
Este panel se emplea para realizar modificaciones sobre los programas introducidos
previamente en memoria, para programar en forma manual y para controlar y verificar el
funcionamiento del torno.
Básicamente, en la programación a pie de máquina, se introducen las instrucciones a
través de un teclado de forma manual incorporado en el equipo, no sin antes conocer todos
los datos que se solicitan para realizar la programación con sus respectivos códigos (G y
M).
La interacción que permite el uso del teclado con el panel de control es que facilita
la corrección de programas, introduciendo correctores de herramientas. Como
inconvenientes principales que se presentaron en la programación manual, se encuentran las
siguientes desventajas:
La primera, es que el usuario debe aprender el lenguaje con su propia sintaxis y
gramática. Aun siendo que ya tenga experiencia en programación, está expuesto a
algunos conceptos que son extraños para él.
La segunda desventaja es que, el programador debe entender los dibujos de
ingeniería con la consecuente posibilidad de que se presente un error.
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La tercera es que, el programador debe mentalmente visualizar la ruta de la
herramienta tal como lo está programando, y.
La cuarta es, el consumo tiempo-máquina.
En la figura 3.3 se muestra el dibujo de la pieza a maquinar con sus respectivas
dimensiones.
Figura 4.1 Maquinado de una probeta en el torno CNC Boxford 250.
Figura 4.2 Probeta de aluminio maquinada en torno con CNC.
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4.3 PROGRAMACIÓN APLICANDO PROGRAMAS CAD/CAM
El diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) es una disciplina
que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los
procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esta
disciplina se ha convertido en un requisito indispensable para la industria actual que se
enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad, disminuir los costos y acortar los tiempos de
diseño y producción. La única alternativa para conseguir este triple objetivo es la de utilizar
la potencia de las herramientas informáticas actuales e integrar todos los procesos, para
reducir los costos (de tiempo y dinero) en el desarrollo de los productos y en su fabricación.
Con este modelo de maquinado, se presentaron grandes ventajas en comparación del
programado manualmente. Durante la realización del presente trabajo, primeramente se
diseñó el dibujo con el programa de Auto CAD 2000, que también se puede lograr con
versiones más recientes, el cual brinda todas las facilidades para su edición, proporcionando
todos los valores de las dimensiones de la pieza a maquinar.
Una vez teniendo el diseño de la pieza a obtener (figura 3.3), el dibujo se vincula a
la unidad de procesamiento para que el programa Máster CAM lo pueda interpretar y de esa
manera generar la codificación, posteriormente antes de ser maquinado fue necesario que se
realizara la simulación, esto con la finalidad de verificar que no existan errores en el
proceso. Se recomienda que la computadora cuente con un antivirus (Kaspersky, AVG 7.5,
etc.) con el fin de no perjudicar los archivos contenidos en la máquina misma.
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Figura 4.3 Simulación del maquinado en el torno Boxford 250
Resulta conveniente que para el maquinado, primeramente se utilice un material
menos costoso, para inspeccionar y observar físicamente que en realidad sea como se
planteo la pieza propuesta inicialmente.
La programación asistida por computadora tiene las siguientes ventajas sobre los
métodos manuales:
Uso de lenguaje simbólico.
Menor tiempo de programación. La programación puede acomodar una gran
cantidad de datos acerca de las características de la máquina y las variables de
proceso, como potencia, velocidades, avance, forma de la herramienta,
compensación por cambios de forma debidos a desgaste de herramienta, deflexiones
y uso de enfriador.
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89
Menor posibilidad de error humano, que puede hacerse en la programación manual.
Capacidad de visualizar en pantalla una secuencia de máquina, para fines de
corrección.
Capacidad de cambios sencillos, de secuencia de maquinado.
Menor costo, porque se requiere menos tiempo para programar.
Los programas que se utilizaron para este trabajo son el Auto Cad versión 2004 y
Máster Cam versión 4.38, Esto facilita los problemas, eliminando la necesidad de aprender
un nuevo lenguaje entero. Trae como consecuencia un significativo impacto en el tiempo
necesario para producir un programa entero.
4.4 PROGRAMACIÓN APLICANDO GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS
Con este modelo de creación de trayectorias, la cual es muy práctica, ya que
solamente requiere un trazado de líneas en el plano cuadriculado como el que se observa en
la figura 4.1. Aquí se controlan no sólo la posición final de la herramienta, sino el
movimiento en cada instante a lo largo de los ejes. La coordinación de su movimiento es
usando técnicas de interpolación lineal y circular. Los cálculos de velocidad de avance,
velocidad de corte, elección de herramienta, etc. los realiza la máquina misma en forma
automática.
Mediante la simulación del proceso, se genera automáticamente la codificación para
ejecutarse cuando el operador lo desee. Cabe mencionar que este modelo se aplica
únicamente para generación de una geometría sencilla, ya que si se desea realizar
trayectorias complejas, se tiene que recurrir a la programación con CAD/CAM.
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Figura 4.4 Plano cuadriculado para la generación de trayectorias (ventana de CAD)
Fig. 4.5 Representación gráfica del diseño de una probeta, aplicando creación de trayectorias.
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La secuencia del maquinado es proporcionada por el operario, indicando las dimensiones
de la pieza para su manufactura con un acabado fino, considerando los criterios para
seleccionar los puntos de referencia (longitud y diámetro de la pieza a manufacturar). El
torno debe estar en posición home, con cero pieza y cero máquina, para indicar los puntos
de referencia de su manufactura y generar el programa código que el sistema puede
interpretar.
4.5 ASPECTOS GENERALES
La programación MANUAL se aplica cuando las operaciones a realizar disponen de
muy poco tiempo. Generalmente se trata de geometrías 3D, agujeros o perfiles en
repetición. Es una programación utilizada en empresas dedicadas a la fabricación de piezas
de producción o a elementos que, como ya se ha señalado, no requieren operaciones
complejas.
La programación CAD/CAM se utiliza cuando las geometrías de los dibujos son
complejas y cuando la pieza es una figura con definiciones en 3D. Es la programación
empleada en los talleres de TORNEADO.
Sin embargo con el método GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS, el cual es una
programación más gráfica, se puede realizar el maquinado de una forma sencilla e
inmediata, para geometrías en 3 D.
Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel
se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Es importante
notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen
que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo no contar con la herramienta
adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes,
entre otras.
Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: uniformidad de
propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos y buen acabado superficial.
El tiempo y costos de producción dependen en gran manera del adecuado plan de
proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas
y máquinas-herramienta.
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CONCLUSIONES
De lo presentado y discutido en el trabajo se pueden deducir las siguientes
conclusiones:
El resultado del análisis de estos procedimientos y observaciones, proporciona una
herramienta fundamental para poder decidirse por un método eficiente. Esto ayudará a los
usuarios no expertos a manufacturar piezas con un mínimo de asesoramiento, ya que los
procedimientos se deben de desarrollar de manera sencilla y para el fácil aprendizaje del
usuario.
Los resultados también muestran que de acuerdo a la magnitud de complejidad de
cada uno de estos modelos presentados en este trabajo, se puede decir que la mejor Opción
para la programación del torno CNC, es la técnica en donde se aplican los programas CAD-
CAM, el uso generalizado del sistema Diseño Asistido por Computadora (CAD), a llevado
a perfeccionamientos importantes en la generación de programas con control Numérico
Computacional. Esta combinación permite la transferencia de información de la etapa de
diseño a la etapa de planeación para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver
a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. La base de datos que
se desarrolla durante el CAD es almacenada; posteriormente ésta es procesada por el CAM,
para obtener los datos y las instrucciones necesarias para maquinar.
Se demuestra también, que éste método está al alcance de usuarios que no tienen
experiencia en Control Numérico Computacional, y que la aplicación de esta misma,
facilita el trabajo en aquellos casos, en que se requiere diseñar y maquinar, evitando el uso
de los códigos G y M.
El uso de estos sistemas ahorra tiempo, recursos de producción y costos, con un
aumento de la eficiencia y de la exactitud dimensional. Abarcan el diseño gráfico, el
manejo de bases de datos para el diseño y la fabricación, control numérico de máquinas
herramienta y simulación de procesos.
La evolución del CAD/CAM ha sido debida, en gran parte, a que esta tecnología es
fundamental para obtener ciclos de producción más rápidos y productos elaborados de
mayor calidad. “A mejor tecnología, mayor producción. Producir más, en menos tiempo y
mejor calidad”. Consiguiendo con todo esto un impacto del uso y aplicación de máquinas-
herramienta con CNC en la rama educativa del Instituto Tecnológico superior de Poza Rica.
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RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO
En base a los resultados obtenidos, se recomienda continuar con éste trabajo:
Aplicar éstas metodologías, al maquinado de piezas de aluminio, caracterización de
piezas, al ser maquinadas con refrigerante y sin refrigerante
Fabricar algún tipo de prótesis, utilizando y validando las metodologías propuestas.
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34. Soto Jiménez P. R. (2006) “Diseño de un dispositivo para realizar soldadura lineal de los
blindajes de ademes hidráulicos” Tesis de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN.
35. V. Chiles, Stewart C. Black, A.J. Lissaman, S.J. Martin. (2006) Principios de ingeniería
de manufactura. México, C.E.C.S.A.
36. Velázquez Sánchez A. T. (2003) “Implementación del control PID para un grado de
libertad en un manipulador robótico” Tesis de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco.
IPN.
37. Villalobos García G. (1994) "Guía de la industria y tecnologías metalmecánicas actuales
y la función del diseño mecánico en la industria moderna" Tesis de Maestría en Ciencias.
ESIME-Zacatenco. IPN
38. Villanueva Pruneda S. A. (1996) "Metodología para la extracción de tecnología" Tesis
de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN.
39. www.bancomext.com,_(Julio_2004),_15 de Septiembre de 2007
http://www.bancomext.com/Bancomext/portal/portal.jsp?parent=8&category=400&docu
ment=6057
40. www.gestiopolis.com,_Iván_Escalona_Moreno._(Dic._2003), 14 de Octubre de 2007,
http://www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/tfinman2.htm
PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL
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97
ANEXO A: Tabla de códigos generales empleados en la programación del torno Boxford
250 con Control Numérico Computacional.
CÓDIGO
GRUPO
FUNCIÓN
USO DE
DIRECCIÓN DEL
CÓDIGO
G00
1
MOVIMIENTO
TRANSVERSAL
RÁPIDO
X (U) Z (W)
G01 INTERPOLACIÓN
LINEAL X (U) Z (W) F
G02
INTERPOLACIÓN
CIRCULAR (A
FAVOR DE LAS
MANECILLAS DEL
RELOJ)
X (U) Z (W) I K F L
G03
INTERPOLACIÓN
CIRCULAR (EN
CONTRA DE LAS
MANECILLAS DEL
RELOJ)
X (U) Z (W) I K F R
G04 0 TIEMPO P
G20
6
PROGRAMANDO
UNIDADES
IMPERIALES
G21
PROGRAMANDO
UNIDADES
MÉTRICAS
G50
0
MÁXIMA
VELOCIDAD
(VÁLIDO CUÁNDO
G 96 ESTÁ
ACTIVADO)
S
G75
CICLO DE
RANURADO
SOBRE EJE X
X (U) Z (W) F P Q R
G76
CICLO DE
ROSCADO SOBRE
EJE Z
X (U) Z (W) F P Q R
Códigos G para Control Numérico Computacional [25].
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98
CÓDIGO GRUPO FUNCIÓN
USO DE
DIRECCIÓN DEL
CÓDIGO
G80 10 CICLO
CANCELADO X (U) Z (W) R F
G83
1
CICLO DE
TALADRADO
SOBRE EL EJE Z
X (U) Z (W) F P Q R
G90 RECORTE DE
CICLO AXIAL X (U) Z (W) R F
G94 RECORTE DE
CICLO RADIAL X (U) Z (W) R F
G96
2
VELOCIDAD
CONSTANTE DE
LA SUPERFICIE
S
G97 VELOCIDAD
CONSTANTE (RPM) S
G98 5
MM/MIN F
G99 MM/REV F
Continuación de Códigos G para Control Numérico Computacional [25].
ANEXO B: Tabla de códigos misceláneos empleados en la programación del torno
Boxford 250 con Control Numérico Computacional.
CÓDIGO FUNCIÓN
USO DE
DIRECCIÓN DEL
CÓDIGO
CI PROGRAMAR PARADA INTERMEDIA
M01 PROGRAMAR PARADA OPCIONAL
M02 FIN DE PROGRAMA (UNA SOLA
CANTIDAD)
M03 INICIO DE GIRO A FAVOR DE LAS
MANECILLAS DEL RELOJ S
M04 INICIO DE GIRO EN CONTRA DE LAS
MANECILLAS DEL RELOJ S
M05 PARADA DE GIRO
M08 ABRIR REFRIGERANTE
Códigos M para Control Numérico Computacional [25].
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99
M09 CERRAR REFRIGERANTE
M10 ENCENDER MANEJO DE HERRAMIENTA
M11 APAGAR MENEJO DE HERRAMIENTA
M16 ORIENTACIÓN DE GIRO
M26 ATRAPAR DENTRO DEL ÁREA
M27 RETIRAR DENTRO DEL ÁREA
M30 FIN DE PROGRAMA(REPETIR)
M39 CERRAR CHUCK AUTOMÁTICO
M40 ABRIR CHUCK AUTOMÁTICO
M48 ABRIR SEGURO AUTOMÁTICO
M49 CERRAR SEGURO AUTOMÁTICO
M98 LLAMAR SUBRUTINA P
M99 FIN DE SUBRUTINA
Continuación de Códigos M para Control Numérico Computacional [25].
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100
ANEXO C: Codificación para el maquinado de la probeta.
Org Programación Material: Aluminio
Titulo: Probeta Escrito Hoja
Descripción Prep Misc Ejes Alim. Desp. Hta.
N G M X Z I K F S U W P Q R T
10
20 21
Careado 30
Giro hacia la
izquierda
40 1
50 30 10
60 96 4 225
70 99
80 0 0
90 11
100 1 -1 0.09
110 0 1
Diámetro de
desbaste
120
130 12
140 9
150 1 -202.6
160 12.5
170 0 18
Desbaste con herramienta tipo
1
180
190 1 12
200 0 14.5
210 -59
220 1 9
230 -59.294
240 7.11 -61.094
250 -139.8
260 11
Acabado con
herramienta tipo I
270
280 12
290 96 4 250
300 0 13.5
310 1
320 8
330 1 0 0.05
340 -59
350 -60.246
360 6.054 -62.1
370 6.1 -138.9 0.09
380 6 -139 0.05
390 2 8 -140
400 1 -200
410 -202.6
420 11
Desbaste con
herramienta tipo
II
430
Formato para la programación manual del torno Boxford 250.
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101
Continuación de anexo C.
Org Programación Material: Aluminio
Titulo: Probeta Escrito Hoja
Descripción Prep Misc Ejes Alim. Desp. Hta.
N G M X Z I K F S U W P Q R T
440 0 30
450 5 10
Cambio de
Herramienta
460 2
470 96 4 225
480 0 -62.1
490 12.5
500 1 6.1 0.09
510 0 8
Acabado con herramienta tipo
II
520
530 30
540 5 10
Giro hacia la derecha
550 3
560 250
570 0 -64.5
580 0 10.5
590 1 6 -60
600 2 8 -59 0.05 1
Acabado con
herramienta de tipo II
610
620 0 30
630 5 10
Herramienta de
separación
640 2
650 96 4 250
660
670 0 -62.1
680 10.5
690 1 6
700 -139
Separador 710
720 0 11
730 -202.2
740 10
750 8 -202.1
760 -1
770 0 30
Acabado 780
790 5 10
Giro hacia la izquierda
800 1
810 30
Formato para la programación manual del torno Boxford 250.
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102
ANEXO D: Codificación para el roscado de la probeta.
Titulo: Roscado Escrito Hoja Descripción Prep Misc Ejes Alim. Desp. Hta.
N G M X Z I K F S U W P Q R T
10
20 21
Careado 30
40 1
50 30 10
60 96 4 225
70 99
80 0 0
90 9
100 1 -1 0.09
110 0 1
Diámetro de
desbaste
120
130 10
140 15
Acabado con
herramienta
tipo I
150
160 10
170 96 4 250
180 0 8
Formato para la programación manual del torno Boxford 250.
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103
Continuación de anexo D.
Titulo: Roscado Escrito Hoja Descripción Prep Misc Ejes Alim. Desp. Hta.
N G m X Z I K F S U W P Q R T
190 1 0 0.05
200 -21
210 -50
Roscado
externo
230
240 0 30
250 5 10
260 2
270 97 4 350
280 0 2.5
290 10
300 76 2006
0
50 0.05
310 76 6.24 1.25 -24 881 179
Acabado 320
330 0 30
340 5 10
350 1
360 30
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