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Instituto Tecnológico de Tuxtla Gutiérrez Departamento de Metal-MecánicaDr. Roberto Carlos García Gómez

1.1 Análisis de operación maquinado 1.2 Metodología para la manufactura de una

pieza determinada 1.3 Control numérico y su aplicación en los

procesos de manufactura

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La manufactura, como campo de estudio en el contextomoderno, puede definirse de dos maneras: tecnológica yeconómica.

Tecnológicamente es la aplicación de procesos químicos yfísicos que alteran la geometría, las propiedades, o elaspecto de un determinado material para elaborar partes oproductos terminados.

Los procesos para realizar la manufactura involucran unacombinación de máquinas, herramientas, energía y trabajomanual, tal como se describe en la figura.

La manufactura se realiza casi siempre como una sucesiónde operaciones. Cada una de ellas lleva al material cadavez más cerca del estado final deseado.

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Ahora desde el punto de vista económico, lamanufactura es la transformación de materiales enartículos de mayor valor, a través de una o másoperaciones, como se muestra en la figura.

El punto clave es que la manufactura agrega valor almaterial original, cambiando su forma o propiedades,o al combinarlo con otros materiales que han sidoalterados en forma similar.

El material original se vuelve más valioso mediantelas operaciones de manufactura que se ejecutansobre él.

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Tradicionalmente, las actividades de diseño y manufactura han ocurrido demanera secuencial, más que de manera concurrente o simultánea.

Aunque esta secuencia parece lógica y sencilla, es un procedimiento quedesperdicia de forma extrema los recursos. Por ello, se está abriendo paso laingeniería concurrente o simultánea.

Ahora bien, la ingeniería concurrente es un procedimiento sistemático que integrael diseño y la manufactura de los productos, manteniendo a la vista laoptimización de todos los elementos que forman parte del ciclo de vida delproducto.

El ciclo de vida implica que todos los aspectos de un producto:diseño, desarrollo, producción, distribución, uso, eliminación y reciclado seconsideran de manera simultánea.

Las metas básicas de la ingeniería concurrente son reducir los cambios en eldiseño e ingeniería de producto y reducir el lapso que media entre el diseño delproducto y su introducción en el mercado, así como los costos asociados a esetiempo.

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En la situación ideal de manufactura, la ingenieríaconcurrente asegura que el diseñador cooperecon el ingeniero de manufactura.

En conjunto aseguran que la pieza tengacaracterísticas que la hagan eminentementeproductible por medio de un procesoseleccionado y óptimo (diseño paramanufacturabilidad).

La selección del proceso se hace de acuerdo conun procedimiento formal.

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El estudio de los procesos de manufactura puedeabordarse desde puntos de vista diferentes.

Actualmente, los aspectos más importantes son de ordeneconómico y tecnológico. Entre los factores a tener ecuenta para la selección adecuada de un determinadoproceso podemos mencionar:

◦ Factores de costo. Cuando se analizan diferentes alternativas parafabricar una pieza, o para efectuar un proceso, aparecen factoresde costo variables, que se relacionan entre sí en mayor o menorgrado y afectan el costo total de cada pieza, estos son:

Materiales: El costo de los materiales es un factor importante cuando losprocesos a evaluar incluyen el empleo de diferentes cantidades o formas demateriales alternativos. Además, el rendimiento y las pérdidas pordesperdicios pueden llegar a tener una gran influencia en el costo de losmateriales.

Mano de obra directa: En general, los costos de la mano de obra directa sedeterminan por:◦ El proceso de manufactura en sí.◦ La complejidad del diseño de la pieza o el producto.◦ La productividad de los empleados.◦ Requisitos de acabado y tolerancias dimensiónales.◦ Numero de operaciones de manufactura para terminar la pieza o

producto.

Sin embargo, a la hora de determinar el precio de la mano de obra directa, elnúmero de operaciones de manufactura requeridas para terminar una pieza es elfactor de costo más importante. Cada operación incluye el desplazamiento delmaterial o la pieza, además de la inspección correspondiente. Es importante anotarque cuando aumenta el número de operaciones:◦ Crecen los costos indirectos.◦ Hay más probabilidades de errores dimensionales acumulativos.◦ Se requiere más preparación de herramientas.◦ Aumentan los desperdicios y el “retrabajado”.◦ La programación del taller se vuelve más compleja.

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Mano de obra indirecta: Cuando se evalúa el costo de métodos y diseñosalternativos para producción, es importante la mano de obra parapreparación, inspección, manejo de materiales, afilado y reparación deherramientas y mantenimiento de máquinas y equipos. En algunoscasos, las ventajas que supone un proceso frente a otro, se anulandebido a la mano de obra adicional requerida por el proceso “másventajoso”.

Herramientas especiales: Dispositivos como las matrices, troqueles,moldes, modelos, calibradores y otros, son un factor de costoimportante cuando se inicia la manufactura de piezas nuevas o seintroducen grandes cambios en los productos existentes. El costounitario de las herramientas depende en gran medida del volumen deproducción y esta limitado por su duración esperada y obsolescencia. Ungran volumen de producción justifica fuertes inversiones enherramientas especiales. En general, la competencia y el progresoexigen mejoras en el diseño de productos y métodos de manufacturadentro del lapso de amortización de la inversión.

Consumibles (herramientas y suministros de corta duración): Elementos comobrocas, buriles, fresas, ruedas de amolar, limas, cuchillas, machuelos,escariadores (rimas) y otros similares y los suministros como lija de esmeril,solventes, lubricantes, fluidos para limpieza, sales, polvos, trapos para limpieza,cinta adhesiva, compuestos para pulir, etc. Generalmente, son consideradoscomo parte de los gastos indirectos de manufactura. Sin embargo, cuando seemplean grandes cantidades de suministros, deben considerarse como un factorde costo independiente. Para el caso de operaciones de corte, se recomiendaconsiderar el costo de herramienta por corte.

Servicios generales: En general, el costo de la energía eléctrica, gas, vapor,refrigeración, calefacción, agua, aire comprimido y otros, se considera comoparte de los gastos de manufactura, pero esos costos se deben calcular en formaespecífica cuando se emplean ampliamente durante un proceso de manufacturadeterminado.

Capital invertido: Cuando se va a iniciar la producción de una nueva pieza oproducto, se debe tener en cuenta la disponibilidad de espacio, máquinas, equipoe instalaciones auxiliares junto con la inversión de capital requerida paramétodos alternos. Si se cuenta con suficiente capacidad productiva, es probableque no se requiera inversión de capital para iniciar lamanufactura de una pieza o producto nuevo con los procesos existentes. Por otraparte, en algunas ocasiones la producción de un solo componente requiere,además de equipo adicional, espacio, instalaciones auxiliares y terrenos

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Otros factores. Los costos de empaque,embarque, servicio y mantenimiento imprevisto,así como tolerancias para “retrabajar” ydesperdicio, en ocasiones deben incluirse en elmomento de hacer comparaciones de procesos.

Asimismo, al efectuar esta comparación sólo sedeben incluir en el análisis los costos diferentespara cada uno. Además cuando la cantidad deproducción de una pieza o producto nuevo esbaja, se deben emplear los equipos disponiblespara componentes similares.

Equipos Especiales. Se debe considerar las herramientas y equipopara usos especiales y operaciones múltiples con el fin deaprovechar los métodos y economías en la manufactura queofrecen, siempre que estén disponibles y/o se justifiquen.

Efectos sobre la selección del material: El grado deautomatización del proceso rara vez influye en la selección delmaterial, más bien, es el material quien influye en la selección dela herramienta. De todos modos, los materiales más sencillospara maquinar, fundir, moldear, etc., son igualmente buenospara un proceso manual o automático, aunque hay dos posiblesexcepciones:◦ a. Cuando las cantidades para producción son grandes, puede ser más

económico obtener fórmulas y tamaños específicos de materiales que seanlo más cercano a los requisitos de la pieza que se va a producir y que nose justificarían para cantidades pequeñas.

◦ b. Cuando se emplea equipo complejo interconectado, como en líneas detransferencia, puede ser aconsejable especificar materiales de libremaquinado o de fácil procesamiento, para tener la seguridad de que elequipo trabaje en forma continua, o para reducir el tiempo muerto paraafilar o sustituir las herramientas.

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Efecto sobre los volúmenes de producción: El equipo para uso especialrequiere fuertes inversiones. Esto exige que el volumen de producciónsea suficiente para amortizar la inversión. Ese equipo, es paraproducción en serie, aunque, puede producir considerables ahorros enlos costos unitarios. La ventaja principal del equipo para usos especialesy automáticos, es el ahorro de mano de obra, otras ventajas son: menorinventario de trabajo en proceso, menos posibilidades de daños a laspiezas durante el manejo, tiempo de ciclo reducido, menos espacio en elpiso y menos piezas rechazadas. La ventaja de equipo NC y CNC es quepermite el funcionamiento automático sin estar limitado a una pieza oun grupo pequeño de piezas y sin necesidad de herramientas especiales.La automatización con bajos y medianos volúmenes de producción sejustifica con el NC y el CNC.

Efectos sobre el diseño: Prácticamente no hay diferencia en lasrecomendaciones para diseño de productos hechos con equipoautomático o con control manual. Sin embargo, en algunos casos elreflejo en los costos de no tener en cuenta una recomendación paradiseño, se puede minimizar utilizando un proceso automático. Conequipo automático, una operación adicional que normalmente no tienejustificación económica podría ser factible, porque el costo adicionalprincipal es el de agregar algún componente al herramental o al equipo.

Efectos sobre la exactitud dimensional: Por logeneral, las máquinas y herramientas especialestrabajan con mayor exactitud que el equipo para usogeneral.

Otros efectos del CNC: El equipo con controlnumérico computarizado ofrece varias ventajas en eldiseño para producción, entre otras:◦ Reducir el tiempo de demora para producir piezas nuevas.

Se puede ver rápidamente la pieza terminada, evaluar losresultados e incluir los cambios necesarios casi desde elprincipio.

◦ Las piezas cuya producción no resulta económica con losmétodos convencionales, sí lo serán con CNC o NC.

◦ El control por computadora puede optimizar algunascondiciones del proceso, como los avances y velocidades decorte según avanza el trabajo.

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Operaciones de procesamiento. Una operación de procesamientotransforma un material de trabajo de una etapa a otra másavanzada, que lo sitúa cerca del estado final deseado para elproducto. Cualquier operación de procesamiento utiliza energíapara alterar la forma, las propiedades físicas o el aspecto de unapieza de trabajo a fin de agregar valor al material. Las formas deenergía incluyen la mecánica, térmica, eléctrica o química. Laenergía se aplica de forma controlada mediante la maquinaria ysu herramental. La mayoría de estas operaciones producendesechos o desperdicios.

Comúnmente se requiere más de una operación deprocesamiento para transformar el material inicial a su formafinal. Las operaciones se realizan en una sucesión particular quese requiera para lograr la geometría y las condiciones definidaspor las especificaciones de diseño.

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Las operaciones de procesamiento laspodemos clasificar de la siguiente manera:◦ Procesos de fundición.◦ Procesos de deformación volumétrica.◦ Procesos de conformado de lámina.◦ Procesos convencionales de maquinado.◦ Procesos de maquinado no tradicional.◦ Metalurgia de polvos.◦ Procesos de mejora de propiedades.◦ Operaciones de procesamiento de superficies.

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Los procesos de manufactura son la forma detransformar la materia prima que hallamos, paradarle un uso práctico en nuestra sociedad y asídisfrutar la vida con mayor comodidad.

Con el rápido desarrollo de nuevos materiales, losprocesos de fabricación se están haciendo cada vezmás complejos, de ahí nace la importancia deconocer los diversos procesos de manufacturamediante los cuales pueden procesarse losmateriales. La industria requiere actualmente de talesconocimientos y es por eso que el presente trabajopretende que los alumnos como nosotros apliquenlos conocimientos adquiridos en la materia deManufactura Industrial.

Una forma sencilla de abordar este tema, esconsiderar a las máquinas a partir de dosprocesos básicos de manufactura: uno quepermite formar una pieza sin desprendermaterial y otro conocido como “de arranque deviruta”, es decir, que busca quitar cierta porcióndel material original para obtener una piezanueva.

El primer proceso puede referirse a prensas,forjas, inyección o soplado de plásticos, formadoen frío y en caliente, así como troquelados, ytambién asociarse a procesos de ensamble ysoldadura, a partir de los cuales se obtiene unproducto nuevo con el mismo material inicial.

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En los procesos con arranque de viruta sepuede partir de un trozo de madera, hierro,aluminio y otros materiales, del cual lasmáquinas desprenden el “sobrante” paraobtener una nueva forma. Es la aplicacióntípica de los tornos y las fresadoras, lostaladros radiales o de banco, lasmandrinadoras, etcétera. Por usos ycostumbres, a este tipo de equipos porarranque de viruta se le conoce extensamentecomo máquinas herramienta.

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Todo maquinado se basa en una operación decorte, que es la separación de moléculas delmaterial de las moléculas adyacentes mediantela aplicación de una fuerza.El proceso de dar forma a un productomediante la eliminación de material es común atodo producto manufacturado, donde sólovarían las técnicas para eliminar dicho material.

Las operaciones de maquinado se pueden dividir endos categorías: en una la pieza de trabajo se muevemientras que la herramienta está fija (típicamente eltorneado donde el material gira sobre un eje fijo); yen la otra ocurre lo contrario, se tiene un materialde trabajo fijo mientras que la herramienta de cortees la que se desplaza (típicamente el fresado dondela herramienta gira sobre su eje y se desplaza sobreun material fijo).Es conveniente utilizar esta división de categorías alconsiderar los procesos disponibles.

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Una de las metodologías utilizadas por la ingenieríaconcurrente o diseño integrado de productos es eldiseño para manufactura, DFM.El diseño y desarrollo de productos requiere nosolamente el manejo de conceptos básicos dediseño mecánico convencional, sino la selecciónadecuada de materiales y procesos de fabricación.Es fundamental además de trabajar en equiposmultidisciplinarios que involucren en el proceso dediseño tanto los atributos del cliente como lasvariables de ingeniería.

Reducir el número total de partes Desarrollar un diseño modular Usar materiales y componentes estandarizados Diseñar partes multifuncionales Diseñar para fácil fabricación Evitar partes separadas Minimizar las operaciones de manipulación Utilizar tolerancias amplias Minimizar el número de operaciones Evitar operaciones secundarias. Rediseñar componentes para eliminar pasos de proceso. Minimizar las operaciones que no añadan valor. Diseñar

para el proceso.

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1. Desbaste todos los diámetros a 1/32 de pulgada del tamaño requerido.

*Maquine el diámetro mayor y avance hacia el menor.2. Desbaste todos los escalones y hombros a

1/32 pulg de la longitud requerida.3. Si se requiere alguna operación en especial,

como moletado o ranurado deberá realizarse a continuación

4. Enfríe la pieza antes de comenzar con la operación de terminado.

5. Termine todos los diámetros y longitudes.

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Para maquinar la pieza que se muestra en lafigura, se sugiere la siguiente secuencia deoperaciones.1. Corte una pieza de acero de 1/8 pulg mas

de diámetro y 1/2pulg mas de largo de lonecesario.

2. Monte y centre la pieza en un mandril decuatro mordazas, sujetando solamente 5/16a 3/8de pulg del material en las mordazasdel mandril.

3. Refrente el extremo de la pieza.

4. Desbaste los tres diámetros externos,comenzando por el mayor y avanzando hacia elmenor, a 1/32 del tamaño y longitud.

5. Monte el contrapunto y taladre un centro en lapieza

6. Efectué una perforación de ½ pulg de diámetro através de la pieza.

7. Monte una broca de 15/16 pulg en el contrapuno y perfore la pieza

8. Monte una barra de interiores en el posteportaherramienta y tornee el cilindro de 1 pulgescariandola a 0.0948 pulg de diámetro

9. Tornear el interior de la sección roscada

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10. Corte la ranura en el extremo de la sección aroscar en la longitud y un poco mas profundoque el diámetro mayor de la rosca.

11. Monte una herramienta de roscar en la barra detorneado interior y corte la rosca de 1 1/4 pulg-7 INC al tamaño .

12. Monte un escariador de 1 pulg en elcontrapunto y corte el diámetro interior altamaño.

13. Invierta la pieza en el mandril y proteja eldiámetro terminado con un metal blando entereeste y las quijadas del mandril referente a lasuperficie del extremo a la longitud adecuada.

Debido a las variaciones de forma y tamaño de piezas palanas es difícil dar reglas especificas de maquinada para cada una. Se enuncian algunas reglas generales. 1. Seleccione y corte el material un poco mas grande

de lo requerido. 2. Maquine todas las superficies a su tamaño en una

maquina fresadora. 3. Trace los contornos físicos de la pieza como

ángulos, escalones y radios, etc. 4. Marque ligeramente las líneas de trazado que

indican las superficies a cortar. 5. Elimine secciones grandes de la pieza con una sierra

cinta de contornear

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6. Maquine todas las formas como los escalones, ángulos, radios y ranuras.

7. Trace la localización de las perforaciones y, con compas de punta marque el circulo de referencia.

8. Haga todas las perforaciones y machueletodas las que lo requieran.

9. Escarie los agujeros. 10. Rectifique las superficies que lo requieran.

Velocidad de Corte y Avance Velocidad de corte Velocidad a la cual el metal se puede

maquinar con eficiencia. Expresada en (pie/min) o (m/min

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Cada pieza tiene que maquinarse adeterminadas revoluciones por minuto en lascuales intervienen: Tipo de material El material de la fresa Rigidez de la máquina y el montaje de la

pieza El acabado requerido Profundidad de corte

Se define como la distancia en pulgadas (omilímetros) por minuto que se mueve la piezahacia la fresa esta depende de los siguientesfactores: Tipo de acabado y la precisión requerida La profundidad y ancho del corte La potencia de la maquina Diseño o tipo de fresa Lo afilado de la fresa El material

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1. Montar la Compruebe si el cabezal está en ángulo recto

2. Montar la prensa sujetadora con las mordazas paralelas en las ranuras en T

3. Ajustar la velocidad y el avance correctos 4. Comprobar la mano de el cortador y la rotación

del husillo (un cortador de mano derecha debe girar en el sentido de las manecillas del reloj)

5. Poner en marcha la máquina levantar la manecilla hasta que el cortador toque la pieza

1. Marcar la pieza con las especificaciones de corte como los escalones y la profundidad

2. Posicionar la pieza donde el cortador quede en la posición de corte más profunda (evitar sobrecargar la fresadora por lo que es sugerirle hacer varios cortes)

3. Hacer el corte más profundo primero y luego el menos profundo

4. Comprobar la profundidad

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1. Marcar la posición en la que debe encontrarse el bisel o chaflán

2. Ajustar el cabezal al ángulo correcto para el ángulo. Ejemplo para un chaflán este tiene que ser de 45

3. Posicionar la mesa y hacer mas cortes hacia la línea de corte