ECONOMÍA EN EL MAQUINADO PARA LA INDUSTRIA Mecánica
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Estudios Gerenciales, No. 94 EneMar 2005 ECONOMÍA EN EL MAQUINADO PARA LA INDUSTRIA METALMECÁNICA JOHN JAIRO CORONADO MARÍN Ingeniero Mecánico, Magíster en Ciencias en Ingeniería Mecánica, Profesor de la Universidad del Valle. Escuela de Ingeniería Mecánica, Catedrático de la Universidad ICESI. Departamento de Ciencia y Tecnología. [email protected] ó [email protected] Fecha de recepción: 200403 Fecha de aceptación: 200410 ABSTRACT This article presents a study of the economy in the machining process, for: minimum cost criterion and maximum production rate. Three typical materials in the cutting tools were analyzed: high speed steel, cemented carbide and ceramic. The ceramic tool presented minor cost per unit and minor duration of the cycle, that the cemented carbide and that the high speed steel. The disposable inserts presented minor time per cycle and cost per unit that the regrindable tooling. KEY WORDS Machining process, cutting tool, high speed steel, cemented carbide, ceramic, disposable insert, regrindable tooling. Rating: A RESUMEN Este artículo presenta un estudio sobre la economía en el proceso de maquinado para minimizar los costos por unidad y maximizar la velocidad de producción. Se analizaron tres materiales típicos en las herramientas de corte: acero de alta velocidad, carburo cementado y cerámico. Se encontró que las herramientas de material cerámico poseen menor costo por unidad y menor duración del ciclo que las herramientas de carburo cementado y que las herramientas de acero rápido. Las herramientas desechables presentaron menor tiempo por ciclo y menor costo por pieza que las herramientas reafilables. PALABRAS CLAVE Proceso de maquinado, herramienta de corte, acero de alta velocidad, carburo cementado, cerámico, herramienta desechable, herramienta reafilable. Clasificación: A INTRODUCCIÓN Los procesos de manufactura son la combinación de personal, materia prima, herramientas y máquinas para la obtención de un producto final. Uno de los procesos de manufactura más usados en la producción de piezas metálicas es el corte con desprendimiento de material, conocido como maquinado o mecanizado. Es decir, una herramienta con filos cortantes fabricada de un material resistente al desgaste y a las altas temperaturas, penetra la superficie de una pieza con desprendimiento de material en forma de viruta, hasta obtener el producto final. Los parámetros fundamentales en un proceso de corte son: velocidad de corte, avance y
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EstudiosGerenciales,No.94EneMar2005
ECONOMAENELMAQUINADOPARALAINDUSTRIAMETALMECNICA
JOHNJAIROCORONADOMARN
IngenieroMecnico,MagsterenCienciasenIngenieraMecnica,ProfesordelaUniversidaddelValle.EscueladeIngenieraMecnica,CatedrticodelaUniversidadICESI.Departamentode
CienciayTecnologa.johncoro@[email protected]
Fechaderecepcin:200403Fechadeaceptacin:200410
ABSTRACT
Thisarticlepresentsastudyoftheeconomyinthemachiningprocess,for:minimumcostcriterionandmaximumproductionrate.Threetypicalmaterialsinthecuttingtoolswereanalyzed:highspeedsteel,cementedcarbideandceramic.Theceramictoolpresentedminorcostperunitandminordurationofthecycle,thatthecementedcarbideandthatthehighspeedsteel.Thedisposableinsertspresentedminortimepercycleandcostperunitthattheregrindabletooling.
KEYWORDS
Machiningprocess,cuttingtool,highspeedsteel,cementedcarbide,ceramic,disposableinsert,regrindabletooling.
Rating:A
RESUMEN
Esteartculopresentaunestudiosobrelaeconomaenelprocesodemaquinadoparaminimizarloscostosporunidadymaximizarlavelocidaddeproduccin.Seanalizarontresmaterialestpicosenlasherramientasdecorte:acerodealtavelocidad,carburocementadoycermico.Seencontrquelasherramientasdematerialcermicoposeenmenorcostoporunidadymenorduracindelcicloquelasherramientasdecarburocementadoyquelasherramientasdeacerorpido.Lasherramientasdesechablespresentaronmenortiempoporcicloymenorcostoporpiezaquelasherramientasreafilables.
PALABRASCLAVE
Procesodemaquinado,herramientadecorte,acerodealtavelocidad,carburocementado,cermico,herramientadesechable,herramientareafilable.
Clasificacin:A
INTRODUCCINLosprocesosdemanufacturasonlacombinacindepersonal,materiaprima,herramientasymquinasparalaobtencindeunproductofinal.Unodelosprocesosdemanufacturamsusadosenlaproduccindepiezasmetlicaseselcortecondesprendimientodematerial,conocidocomomaquinadoomecanizado.Esdecir,unaherramientaconfiloscortantesfabricadadeunmaterialresistentealdesgasteyalasaltastemperaturas,penetralasuperficiedeunapiezacondesprendimientodematerialenformadeviruta,hastaobtenerelproductofinal.Losparmetrosfundamentalesenunprocesodecorteson:velocidaddecorte,avancey
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profundidad.Lavelocidaddecorte(Vc)eselcaminorecorridoporelfilodelaherramientaporunidaddetiempo.DondeDeseldimetrodelapiezayneslavelocidadderotacin.
Actualmentelasmquinasherramientasusadasenlosprocesosdemecanizadovienenaltamenteautomatizadas,reduciendolasnecesidadesdemanodeobraparaciertosprocesosproductivos.Estasmquinassepuedenprogramarusandoelcontrolnumricocomputarizado(CNC),dichosprogramascontienenlainformacintecnolgicasobreelprocesodemecanizado.Tambinsepuedenprogramarusandolaayudadeldiseoasistidoporcomputador(CAD),dondesediseanlaspartesamecanizar.Posteriormentepasanaunprogramademanufacturaasistidaporcomputador(CAM)dondeserealizalasimulacindelprocesodecorte,selecseleccionandolasherramientas,materialesyparmetrosdecorte.LosprogramasCAD/CAMayudanarealizarprogramasCNCcomplejos.
Laindustriametalmecnicaestadquiriendomquinasherramientasdeltimatecnologa,peromuchasdestasnosonaprovechadasalmximoporlasempresas,debidoaquelasvelocidadesnoseoptimizanylosmaterialesdelasherramientasdecortenosiempresonlosmsadecuados.Lasherramientasdecortedebencumplircontrespropiedadesimportantes:tenacidad,durezaencalienteyresistenciaaldesgaste.UnmaterialparaherramientaampliamenteusadodesdeprncipiosdelsigloXXeselacerodealtavelocidadoacerorpido(HSS),sehaseguidousandodebidoaquesehanhechomejorasenlosingredientesdealeacinyporsubajocosto.Lasherramientasdeacerodealtavelocidadsonreafilables,yaquetodoelvstagoesdelmismomaterial.Actualmenteexistennuevosmaterialesparaherramientasconmejorespropiedadesmecnicas,comosonloscarburoscementadosyloscermicos.Estosmaterialessondesechablesysefijanmecnicamenteenunportaherramientas.LavidadelaherramientaesunfactorimportanteparalareduccindeloscostosdemecanizadoysepuedecalcularconbaseenlaecuacindeTaylor:
DondeTeslavidadelaherramienta,nyCsonparmetrosquedependendelavance,laprofundidaddecorteyespecialmentedelmaterialdelaherramienta.
OPTIMIZACINDELPROCESODEMANUFACTURAElvolumendeproduccinyloscostossedebenconsiderarenlosprocesosdeproduccindepiezas.Enlaindustriasedebeoptimizarelprocesomaximizandolaproduccinyminimizandoloscostos.Paralogrardichoobjetivoesnecesarioconsiderartodosloscostosyeltiemporequeridoparamaquinarunadeterminadapieza.
Eltiempodelciclodeproduccindeunapieza(maximizacindelciclodeproduccin)dependededosfactores:1)elacabadoylaexactituddimensionaldelasuperficiey2)delacantidaddematerialporremover.Eltiempodelciclodeproduccindeunapieza(Tp)sepuedecalcularporlasiguienteexpresin:
Td=tiempoparamontarydesmontarlapiezaenlamquinaherramienta.
Tm=tiempoquelaherramientautilizaparamaquinarduranteunciclo.
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Tc=tiempodecambiodelaherramientacuandosedesgasta.
Np=cantidaddepiezasquesemaquinanconunfilocortante.
Alaumentarlavelocidaddecorte,disminuyeeltiempodecorte,peroaumentaeltiempodecambiodelaherramienta,mientrasqueeltiempoparamontarydesmontarlapiezapermanececonstante.Eltiempodemaquinadoparaunaoperacindetorneadosepuedecalcularmediantelasiguienteexpresin:
DondeLeslalongituddelapiezadetrabajo.Lacantidaddepiezasquesemaquinansepuedecalcularcomo:Np=T/Tm.Portanto,reemplazandoenlaecuacin(3)tenemoslasiguienteexpresin:
Lavelocidaddecorteparamximavelocidaddeproduccinsepuedeobtenerhaciendoladerivadadelaecuacin(5)conrespectoalavelocidaddecorteigualacero:Tc/Vc=O.
Lavidadelaherramientaparamximavelocidaddeproduccinquedadelasiguientemanera:
Paraminimizarelcostoporunidadsedebenconsiderardosfactores:1)lavidadelaherramientadecorte,adems2)lasfuerzasypotencia.Laeconomasepuedeconseguircuandoelacabadoylaexactitudnecesariosselogranalmnimocostoporunidad.Lasherramientasdesechables,insertosoplaquitasintercambiables,sepuedenrotarparausarotrofilodecorte,cuandosedesgastan.Normalmenteexistenseisuochofilosporinserto,dependiendodesuforma.Elcostodelaherramientasepuedecalcularcomo:
DondeCfeselcostoporfilocortante,PfeselpreciodecadainsertoyNeeslacantidaddefiloscortantesporinserto.Paraherramientasreafilablescomolasdeacerorpidoodecarburo
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soldado,sedebeconsiderarelcostodelreafilado.
DondeCfeselcostoporvidadelaherramienta,Pfeselpreciodelaherramientadevstagoslidoocarburosoldado,Ngnmerodevecesquesepuedereafilarlaherramienta,TgeseltiempoquetardaenafilarlaherramientayCgeslatasadeafilaafilado.Elcostototalporunidaddeproducto(Cp)queda:
DondeCoeslatasadecostoparaeloperarioylamquina,CoTdeselcostodemontarydesmontarlapieza,CoTmeselcostodeltiempodemaquinado,CoTt/NpeselcostodeltiempodelcambiodelaherramientayCf/Npeselcostodelaherramientaporunidaddelproducto.Alaumentarlavelocidaddecortedisminuyeelcostodeltiempodemaquinado,peroaumentaelcostodelaherramientayelcostodeltiempodecambiodelaherramientaypermanececonstanteelcostodemontarydesmontarlapieza.EnlaFigura1semuestracmovaraelcostodeproduccinparadiferentesvelocidadesdecorte.
Expresandolaecuacin10entrminosdelavelocidaddecorte,seobtiene.
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Enladerivadadelaecuacin11conrespectoaVcsepuedehallarlavelocidaddecorteparaelcostomnimoporpieza.
Lavidadelaherramientaparaelcostomnimoporpiezasepuedecalcularcomo:
RESULTADOSMuchasindustriasmetalmecnicasprefierenusarlasherramientasreafilablesdeacerorpidodebidoasubajocostoyreutilizacin,peronotienenencuentaotrosfactoresdeterminantesenlaeconomadelmaquinado.Acontinuacinsecomparanlostresmaterialesparaherramientasenlasmismascondiciones:operacintorneadodeacabado,eltiempodemontarydesmontarlapiezadetrabajoesde2min,elavance2.54mm/revylaprofundidad0.0127mm.Lasdimensionesdelapiezaenbrutofueron:dimetro57.15mmylongitud292.1mm.EnlaTabla1semuestranlosparmetrosC,n,eltiempodecambiodelaherramientayelpreciodecadamaterialparaherramienta.
EnlaTabla2semuestranlosresultadosparamaximizarlavelocidaddeproduccin,paralaherramientacermicalavelocidaddecorteesdiezvecesmayorqueparaelcarburocementadoyochentavecesmayorqueelacerorpido.Lavidadelaherramientaesmayorparaelacerorpido,peroeltiempodelciclodeproduccinporpiezafuemenorparalaherramientacermica,seguidaporladecarburocementadoyfinalmenteladeacerorpido.Esdecir,queaunqueinicialmentehayquehacerunamayorinversinparalaherramientacermicafinalmenteserecuperaconcrecesenelcostoporunidadyladuracindelciclo.Lasherramientasdesechablessonrecomendadasporqueeltiempoporcicloyelcostoporpiezasonmenoresqueparalaherramientareafilable.
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EnlaTabla3semuestranlosresultadosparaminimizarelcostoporunidad.Seencontrqueelcostoporunidadesmenorparalaherramientacermica,luegosigueladecarburocementadoyfinalmenteladeacerorpido.Lasempresasmetalmecnicaspuedenescogerlavelocidaddecortedeacuerdoconlasnecesidadesdelmomento,esdecir,sitienendemorasconlaentregadelosproductos,esconvenientetrabajarconlavelocidaddecorteparamximavelocidaddeproduccin.Delocontrario,puedentrabajarconunavelocidaddecorteparaminimizarelcostoporunidad.Lasempresassiempredebentrabajarenesterangodevelocidadparaoptimizarelprocesodemanufactura.
Elcostodecadainsertodecarburoocermicoespequeo,comparadoconelimpactoquetienendichosinsertosconlascostosasyaltamenteproductivasmquinasCNC.ElcostodeunamquinaCNCindustrialpuedeestarenunrangoentre$300.000.000hasta$1.250.000.000.Conestospreciosnoesbuennegociousarlaherramientamsbarata,especialmenteconlaeconomaglobaldecompetitividad.Paraconseguirunsustancialahorrodecostosexistenotrosfactoresquepuedenincrementarseenelmaquinado,comoson:velocidades,avancesyprofundidadesdecorte.Sebajanloscostos,yaqueseestaprovechandoalmximolapotenciadelamquina,debidoalamayorcantidaddepiezasproducidasconunmenortiempodemaquinado.Usandolaherramientaapropiadasepuedemaximizarlaproduccin,peroaumentanloscostosdelaherramienta,portalmotivosedebeescogerentreprecioyproductividad.
CONCLUSIONESYRECOMENDACIONESLasherramientasdecermicaposeenmenorcostoporunidadymenorduracindelcicloquelasherramientasdecarburocementadoyquelasherramientasdeacerorpido.
Loscostosdelaherramientadeacerorpidoaumentanaltenerquereafilarlaherramientayeltiempodemaquinadoaumentaporlasvelocidadesdecortetanbajas.
Serecomiendaalasempresasmetalmecnicastrabajarconunavelocidaddecorteenunrangocomprendidoentrelavelocidaddecorteparamnimocostoylavelocidaddecorteparamnimotiempodeproduccin.
Lasvelocidadesdecortetantoparaminimizarelcostocomoparamaximizarlaproduccin,sondirectamenteproporcionalesalosparmetrosCyn.
BIBLIOGRAFAChen,M.C.Optimizingmachiningeconomicsmodelsofturningoperationsusingthescattersearchapproach.InternationalJournalofProductionResearch.July1,2004,vol.42,No.13,pp
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