PRINCIPIOS DE POSICIONAMIENTO Y SUJECIN

Posicionar y sujetar son las funciones fundamentales de cualquier portapieza. Por esa razn, es necesario tener un entendimiento cabal de los principios fundamentales de posicionamiento y sujecin, as como de los numerosos componentes estndar disponibles para dichas operaciones.

PRINCIPIOS BSICOS DE POSICIONAMIENTO Para que funcionen de forma adecuada, los portapiezas deben posicionar la pieza de

trabajo de forma precisa y consistente en relacin con la herramienta de corte, pieza tras pieza. Para lograrlo, los posicionadores deben asegurar que la pieza de trabajo est debidamente referenciada y que el proceso sea repetible.

Referenciamiento y repetibilidad

Referenciar es un proceso doble de posicionamiento de la pieza de trabajo en relacin con el portapieza, y del portapieza en relacin con la herramienta de corte. El referenciamiento del portapieza a la herramienta de corte se realiza mediante dispositivos de gua o de ajuste. Con las guas de taladro, el referenciamiento se logra utilizando bujes de taladro. Con portapiezas, el referenciamiento se logra utilizando cuas planas, calibradores de verificacin y/o sondas. El referenciamiento de la pieza de trabajo al portapieza, en cambio, se realiza utilizando posicionadores.

Si una pieza no se coloca correctamente en el portapieza, no se lograr su posicionamiento adecuado y la pieza se trabajar de forma incorrecta. De la misma manera, si una herramienta de corte est mal posicionada en relacin con el portapieza, el detalle torneado tambin estar incorrectamente ubicado. Por esa razn, el diseo del portapieza debe contemplar el referenciamiento de la pieza de trabajo y de la herramienta de corte, los cuales deben mantenerse simultneamente.

Repetibilidad es la capacidad del portapieza de producir de forma consistente piezas que se encuentren dentro de los lmites de tolerancia y est directamente relacionada con la capacidad de referenciamiento de la herramienta. La posicin de la pieza de trabajo en relacin con la herramienta y la posicin de la herramienta con respecto al cortador deben ser coherentes. Para que la gua o el portapieza puedan mantener la repetibilidad deseada, el portapieza debe estar diseado para adaptarse a las superficies de posicionamiento de la pieza de trabajo.

El punto de posicionamiento ideal en una pieza de trabajo es una superficie torneada. Las superficies torneadas permiten el posicionamiento desde un punto de referencia consistente. Las superficies fundidas, forjadas, trasquiladas o serruchadas pueden variar considerablemente de una pieza a otra y afectarn la precisin del posicionamiento.

La mecnica del posicionamiento

Una pieza de trabajo libre en el espacio puede moverse en un nmero infinito de direcciones. Para nuestro anlisis, este movimiento puede dividirse en doce movimientos direccionales, o grados de libertad. Los doce grados de libertad deben estar restringidos para asegurar el referenciamiento adecuado de una pieza de trabajo.

Como muestra la figura 3-1, los doce grados de libertad se relacionan con los ejes centrales de la pieza de trabajo. Observe los seis grados axiales de libertad y los seis grados radiales de libertad. Los grados de libertad axiales permiten el movimiento en lnea recta en ambas direcciones a lo largo de los tres ejes principales, identificados como x, y, z. Los grados radiales de libertad permiten el movimiento giratorio, en sentido radial horario y antihorario, en torno a los mismos tres ejes.

Figura 3-1. Los doce grados de libertad.

Los dispositivos que restringen el movimiento de una pieza de trabajo son los posicionadores. stos, por lo tanto, deben ser lo suficientemente resistentes para mantener la posicin de la pieza de trabajo y resistir las fuerzas de corte. Esta necesidad tambin apunta a un factor crucial en el diseo de los sujetadores: son los posicionadores, no los sujetadores, los que deben sostener la pieza de trabajo contra las fuerzas de corte.

Los posicionadores proporcionan un tope positivo para la pieza de trabajo. Al estar colocada contra el tope, la pieza de trabajo no puede moverse. Los sujetadores, en cambio, dependen de la friccin entre el sujetador y la superficie sujetada para mantener la pieza de trabajo en su lugar. Una fuerza suficiente podra mover la pieza de trabajo. Los sujetadores slo estn diseados para sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores.

Formas de posicionamiento

Hay tres formas generales de posicionamiento: plano, concntrico y radial. Los posicionadores planos posicionan una pieza de trabajo desde cualquier superficie. La superficie puede ser plana, curva o tener un contorno irregular. En la mayora de las

aplicaciones, los dispositivos de posicionamiento plano posicionan una pieza por sus superficies externas, figura 3-2a. Los posicionadores concntricos, en su mayora, posicionan una pieza de trabajo desde un eje central. Este eje puede o no estar en el centro de la pieza de trabajo. El tipo de posicionamiento concntrico ms comn es un pasador posicionador ubicado en un orificio. Algunas piezas de trabajo, no obstante, podran tener una proyeccin cilndrica que requiere un orificio de posicionamiento en el portapieza, como muestra la figura 3-2b. El tercer tipo de posicionamiento es radial. Los posicionadores radiales restringen el movimiento de una pieza de trabajo en torno a un posicionador concntrico, figura 3-2c. En muchos casos, el posicionamiento se realiza mediante una combinacin de los tres mtodos indicados.

Figura 3-2. Las tres formas de posicionamiento: plana, concntrica y radial.

Posicionamiento desde superficies externas

Las superficies planas son caractersticas comunes de las piezas de trabajo utilizadas para su posicionamiento. El posicionamiento desde una superficie plana es una forma de posicionamiento plano. Los soportes son los principales dispositivos utilizados para este tipo de posicionamiento. Las tres formas principales de soportes son slidos, ajustables y ecualizadores. Figura 3-3.

Figura 3-3. Los soportes slidos, ajustables y ecualizadores posicionan una pieza de trabajo desde una superficie plana.

Los soportes slidos son posicionadores de altura fija. Posicionan de forma precisa una superficie en un solo eje. Aunque los soportes slidos pueden tornearse directamente en el cuerpo de una herramienta, un mtodo ms econmico es utilizar soportes instalados, como botones de apoyo.

Los soportes ajustables son posicionadores de altura variable. Al igual que los soportes slidos, tambin posicionan de forma precisa una superficie en un solo eje. Estos soportes se utilizan en los casos en que las variaciones en la pieza de trabajo requieren un soporte ajustable para adecuarse a diferentes alturas. Estos soportes se utilizan principalmente para piezas de trabajo fundidas o forjadas que tienen superficies de montaje desiguales o irregulares.

Los soportes ecualizadores son una forma de soporte ajustable que se utilizan cuando se requiere un soporte compensador. Aunque estos soportes pueden fijarse en su lugar, en la mayora de los casos los soportes ecualizadores flotan para adaptarse a variaciones en la pieza de trabajo. Cuando se presiona uno de los lados del soporte ecualizador, el otro se levanta la misma cantidad para mantener el contacto con la pieza. En la mayora de los casos los soportes ecualizadores ajustables se utilizan junto con soportes slidos.

El posicionamiento de una pieza de trabajo desde sus bordes externos es el mtodo de posicionamiento ms comn. La superficie inferior, o principal, de posicionamiento se coloca sobre tres soportes, segn el principio geomtrico que postula que se requieren tres puntos para definir totalmente un plano. Dos bordes adyacentes, por lo general perpendiculares entre s, se utilizan luego para completar el posicionamiento.

La forma ms comn de posicionar una pieza de trabajo desde su perfil externo es el mtodo posicional 3-2-1, o de seis puntos. Con este mtodo, seis posicionadores individuales referencian y restringen la pieza de trabajo.

Como puede verse en la figura 3-4, se colocan tres posicionadores, o soportes, debajo de la pieza de trabajo. Por lo general, los tres posicionadores se ubican sobre la superficie de posicionamiento principal. Esto restringe el movimiento axial hacia abajo, a lo largo del eje z (#6), y radialmente, alrededor de los ejes x (#7 y #8) e y (#9 y #10). Juntos, los tres posicionadores restringen cinco grados de libertad.

Figura 3-4. Tres soportes en la superficie de posicionamiento principal restringen cinco grados de libertad.

Los dos posicionadores siguientes se colocan normalmente sobre la superficie de posicionamiento secundaria, como muestra la figura 3-5. Estos posicionadores restringen otros tres grados de libertad deteniendo el movimiento axial a lo largo del eje +y (#3) y el movimiento radial en torno al eje z (#11 y #12).

Figura 3-5. Agregando dos posicionadores sobre un lado se restringen ocho grados de libertad.

El posicionador final, ilustrado en la figura 3-6, se coloca en el extremo de la pieza. ste restringe el movimiento axial en una sola direccin a lo largo del eje -x. Juntos, estos seis

posicionadores restringen en total nueve grados de libertad. Los tres grados de libertad restantes (#1, #4 y #5) estarn restringidos por los sujetadores.

Figura 3-6. Agregando un posicionador final al otro lado se restringen nueve grados de libertad, completando el posicionamiento 3-2-1.

Aunque los botones de apoyo cilndricos son la forma ms comn de posicionar una pieza de trabajo desde su perfil externo, tambin se utilizan otros dispositivos para este propsito. Estos dispositivos incluyen posicionadores de lado plano, posicionadores en V, posicionadores de nido y posicionadores ajustables.

Posicionamiento desde superficies internas

El posicionamiento de una pieza de trabajo desde un dimetro interno es la forma de posicionamiento ms eficiente. Las caractersticas principales utilizadas para esta forma de posicionamiento son orificios individuales o patrones de orificios. Dependiendo de la colocacin de los posicionadores, se lograr un posicionamiento concntrico, radial o concntrico y radial al posicionar un dimetro interno. Tambin puede obtenerse un posicionamiento plano con la placa utilizada para montar los posicionadores.

Las dos formas de posicionadores utilizados para el posicionamiento interno son pasadores posicionadores y tapones posicionadores. La nica diferencia entre estos posicionadores es su tamao: los pasadores posicionadores se utilizan para orificios ms pequeos y los tapones posicionadores se usan para orificios ms grandes.

Como muestra la figura 3-7, la placa debajo de la pieza de trabajo restringe un grado de libertad. Impide cualquier movimiento axial hacia abajo, a lo largo del eje -z (#6). El pasador central, que acta junto con la placa como posicionador concntrico, impide cualquier movimiento axial o radial a lo largo o alrededor del eje x (#1, #2, #7 y #8) y del eje y (#3, #4, #9 y #10). Juntos, estos dos posicionadores restringen nueve grados de libertad. El posicionador final, el pasador del orificio externo, es el posicionador radial que restringe dos grados de libertad deteniendo el movimiento radial en torno al eje z (#11 y #12). Juntos, los posicionadores restringen once grados de libertad. El ltimo grado de libertad, en la direccin +z, se restringe con un sujetador.

Figura 3-7. Dos pasadores posicionadores montados sobre una placa restringen once de doce grados de libertad.

Anlisis de las fuerzas de torneado

Los factores ms importantes para tener en cuenta en la disposicin del portapieza son la direccin y la magnitud de las fuerzas de torneado ejercidas durante la operacin. En la figura 3-8, las fuerzas de fresado generadas sobre una pieza de trabajo cuando se sujeta de forma adecuada en una prensa de tornillo suelen empujar la pieza hacia abajo y hacia la mordaza fija. La accin de sujecin de la mordaza mvil mantiene la pieza de trabajo contra la mordaza fija y mantiene la posicin de la pieza durante el corte.

Figura 3-8. Las fuerzas de corte en una operacin de fresado deben dirigirse a la mordaza fija y a la base de la prensa de tornillo.

Otro ejemplo de fuerzas de corte sobre una pieza de trabajo puede observarse en la operacin de taladrado en la figura 3-9. Las fuerzas de torneado principales tienden a empujar la pieza de trabajo hacia abajo sobre los soportes del portapieza. Una fuerza de torneado adicional que acta de forma radial alrededor del eje del taladro tambin fuerza a la pieza de trabajo en los posicionadores. El propsito de los sujetadores que mantienen esta pieza de trabajo slo es sostener la pieza contra los posicionadores y mantener su posicin durante el ciclo de torneado. La nica fuerza real ejercida sobre los sujetadores ocurre cuando el taladro sale por el lado opuesto de la pieza, la accin de subida de la pieza sobre el taladro. Las

fuerzas de torneado que actan sobre un portapieza correctamente diseado en realidad contribuyen a sostener la pieza de trabajo.

Figura 3-9. Las fuerzas de corte principales en una operacin de taladrado se dirigen hacia abajo y radialmente alrededor del eje del taladro.

Un paso importante en la mayora de los diseos de portapiezas es examinar las operaciones de torneado planificadas para estimar las fuerzas de corte sobre la pieza de trabajo, tanto en cuanto a magnitud como a direccin. La estimacin puede ser aproximada y basarse en la experiencia, o bien en un clculo basado en datos de torneado. Una frmula simple para calcular la magnitud de la fuerza, ilustrada en la figura 3-10, se basa en la relacin fsica:

Atencin: "potencia de corte ms pesada" no es la potencial total de la mquina, sino la potencia mxima realmente usada durante el ciclo de torneado. La eficiencia tpica de la mquina es de aproximadamente 75% (0.75). El nmero 33,000 es un factor de conversin de unidades.

Figura 3-10. Una frmula sencilla para calcular la magnitud de las fuerzas de corte en la pieza de trabajo.

La frmula anterior slo calcula la magnitud de la fuerza, no la direccin. La fuerza de corte puede tener componentes en el eje x-, y- o en el eje z-. La direccin de la fuerza (y la magnitud) puede variar drsticamente desde el comienzo hasta la mitad o hasta al final del

corte. La figura 3-11 muestra un clculo tpico. Intuitivamente, la direccin de la fuerza es prcticamente totalmente horizontal en este ejemplo (el componente del eje z es despreciable). La direccin vara entre el eje x y el eje y a medida que avanza el corte.

Figura 3-11. Ejemplo de clculo de la fuerza de corte.

GUA DE POSICIONAMIENTO No hay una sola forma de posicionamiento ni un solo tipo de posicionador adecuado para

todos los portapiezas. Para realizar de forma adecuada el posicionamiento requerido, cada posicionador debe tenerse en cuenta cuidadosamente en el diseo. A continuacin se incluyen algunas recomendaciones para tener en cuenta a la hora de elegir y aplicar los posicionadores.

Colocacin de los posicionadores

La funcin principal de cualquier posicionador es referenciar la pieza de trabajo y asegurar la repetibilidad. No obstante, a menos que los posicionadores estn debidamente colocados, no podrn lograrse eficazmente estas funciones. Al colocar los posicionadores, tanto en relacin con el portapieza como con la pieza de trabajo, hay algunos puntos bsicos para tener en cuenta.

Siempre que sea factible, coloque los posicionadores de forma tal que entren en contacto con la pieza de trabajo sobre una superficie torneada. La superficie torneada no slo proporciona repetibilidad sino que por lo general tambin ofrece una forma de posicionamiento ms estable. La pieza de trabajo en s determina las reas de la superficie torneada que se utilizan para el posicionamiento. En algunos casos, toda la superficie puede tornearse. En otros, especialmente en el caso de piezas fundidas, slo se tornean reas seleccionadas.

Las superficies mejores torneadas para utilizar para el posicionamiento, cuando sea posible, son los orificios torneados. Como ya se seal anteriormente, los orificios torneados ofrecen el posicionamiento ms completo con un nmero mnimo de posicionadores. La siguiente configuracin que proporciona una repetibilidad adecuada es dos superficies torneadas que formen un ngulo recto. Estas caractersticas son muy adecuadas para el mtodo de posicionamiento de seis puntos. No obstante, independientemente del tipo o condicin de las superficies utilizadas para el posicionamiento, el requisito principal en la seleccin de una superficie de posicionamiento es la repetibilidad.

Para garantizar la repetibilidad, la siguiente consideracin a tener en cuenta es la separacin entre los posicionadores. Como regla, separe los posicionadores lo ms lejos

posible entre s. Puede ver una ilustracin en la figura 3-12. Ambas piezas de trabajo ilustradas aqu estn posicionadas con el mtodo de posicionamiento de seis puntos. La nica diferencia radica en la separacin de los posicionadores. En la pieza ilustrada en (b), ambos posicionadores del lado de atrs estn cerca uno del otro. En la pieza ilustrada en (a), estos mismos posicionadores estn ms separados. La pieza ilustrada en (a) est correctamente posicionada; la pieza ilustrada en (b) no lo est. Separar los posicionadores lo ms posible compensa las irregularidades en los posicionadores o en la pieza de trabajo. Adems, permite obtener la mxima estabilidad.

Figura 3-12. Los posicionadores deben separarse lo ms posible para compensar ligeras irregularidades y para obtener la mxima estabilidad.

Los ejemplos de la figura 3-13 muestran condiciones que podran darse cuando los posicionadores se colocan demasiado cerca entre s, si las posiciones centrales de los posicionadores estn mal alineadas en 0.001 pulg. Con la separacin ilustrada en (a), esta condicin tiene poco efecto en el posicionamiento. Pero si el posicionamiento y la separacin se cambiaran a los ilustrados en (b), la diferencia de 0.001 pulg. tendra un efecto sustancial. En (c) se ilustra otro problema con los posicionadores colocados demasiado cerca entre s. En este caso, debido a que los posicionadores estn demasiado cerca ente s, la pieza puede moverse alrededor de los posicionadores en el portapieza.

Figura 3-13. Colocar los posicionadores demasiado cerca entre s afectar la precisin del posicionamiento.

Control de las astillas

La consideracin final para la colocacin de los posicionadores se relaciona con el problema del control de las astillas. Las astillas son una parte inevitable de cualquier operacin de torneado y deben controlarse para que no interfieran con el posicionamiento de la pieza de trabajo en el portapieza. Hay varios mtodos que ayudan a reducir el problema de las astillas. En primer lugar coloque los posicionadores lejos de las reas con una alta concentracin de astillas. Si esto no es factible, afloje los posicionadores para reducir el efecto de las astillas en el posicionamiento. En cualquiera de los casos, para reducir al mnimo los efectos negativos de las astillas, utilice posicionadores que sean fciles de limpiar o autolimpiables o que estn protegidos de las astillas. La figura 3-14 muestra varias maneras en que se pueden aflojar los posicionadores para reducir los problemas de la astillas.

Figura 3-14. Los posicionadores deben aflojarse para reducir los problemas de posicionamiento causados por las astillas.

La acumulacin de refrigerante tambin puede causar problemas. Resuelva este problema perforando orificios, o ranuras de fresado, en reas del portapieza en las que el refrigerante tiende a acumularse. En algunos portapiezas, las reas de drenaje de refrigerante tambin pueden actuar como punto de eliminacin de las astillas acumuladas.

Cuando disee un portapieza, procure siempre reducir al mnimo el problema de las astillas eliminando las reas de la herramienta en las que pueden acumularse. Omita del diseo reas como esquinas interiores, pasadores no rebajados o caractersticas similares. El control de astillas debe tenerse en cuenta en el diseo de cualquier gua o portapieza.

Cmo evitar el posicionamiento redundante

Otra condicin para evitar en el diseo del portapieza es el posicionamiento redundante o duplicado. Los posicionadores redundantes restringen el mismo grado de libertad ms de una vez. Las piezas de trabajo de la figura 3-15 muestran varios ejemplos. La pieza en (a) muestra cmo una superficie plana puede posicionarse de forma redundante. La pieza debe posicionarse sobre slo una, no ambas, superficies laterales. Dado que los tamaos de las piezas pueden variar, dentro de sus tolerancias, la probabilidad de que todas las piezas reposen simultneamente sobre ambas superficies es remota. El ejemplo de (b) muestra el mismo problema con dimetros concntricos. Cualquiera de los dos dimetros puede posicionar la pieza, pero no ambos.

El ejemplo de (c) muestra la dificultad de combinar el posicionamiento por los orificios y por la superficie. Cualquiera de los dos mtodos de posicionamiento, es decir posicionar la pieza por los orificios o por los bordes, es eficaz si se utiliza solo. Pero cuando los mtodos se emplean juntos, producen una condicin de duplicacin. Esta condicin puede dar como resultado piezas que no se pueden cargar o descargar segn lo deseado.

Figura 3-15. Ejemplos de posicionamiento redundante.

Evite siempre el posicionamiento redundante. La manera ms sencilla de eliminarlo es verificando el grabado del taller para determinar que caracterstica de la pieza de trabajo es la caracterstica de referencia. Con frecuencia, la forma en que est dimensionada una pieza indica qu superficies o caractersticas son importantes. Como ilustra la figura 3-16, debido a que la pieza de la izquierda est dimensionada en ambas direcciones desde la parte inferior de la brida, utilice esta superficie para posicionar la pieza. La pieza ilustrada a la derecha, en cambio, est dimensionada a partir de la parte inferior del dimetro pequeo. sta es la superficie que debera usar para posicionar la pieza.

Figura 3-16. Por lo general, las mejores superficies de posicionamiento se determinan por la forma en que est dimensionada la pieza.

Cmo evitar cargar una pieza de forma incorrecta

Indicar claramente el posicionamiento de una pieza de trabajo evita cargarla de forma incorrecta. El problema es ms comn con las piezas que son simtricas o que estn posicionadas de forma concntrica. La forma ms sencilla de indicar el posicionamiento correcto es colocando uno o dos pasadores en un lugar que garantice la correcta orientacin de la pieza, figura 3-17. No obstante, con algunas piezas de trabajo deben utilizarse otros mtodos ms creativos para garantizar que se cargue correctamente.

Figura 3-17. Indicando claramente el posicionamiento se evita cargar la pieza de trabajo de forma incorrecta.

La figura 3-18 muestra algunas formas de indicar claramente el posicionamiento de una pieza. En el primer ejemplo, ilustrado en (a), un pasador que de otro modo no cumplira ninguna funcin garantiza la orientacin correcta de la pieza. Este pasador interferira con una de las lengetas si la pieza se cargara de cualquier otra forma. En el siguiente ejemplo, ilustrado en (b), una cavidad en la pieza de trabajo impide que sta se cargue en posicin invertida. En este caso, se agrega al portapieza un bloque ligeramente ms pequeo que la abertura de la cavidad de la pieza. Si la pieza est correctamente cargada, encajar en el bloque. De lo contrario, el bloque impedir que la pieza entre en el portapieza.

Figura 3-18. Con frecuencia se utilizan simples pasadores o bloques para asegurar el correcto posicionamiento de una pieza.

Uso de posicionadores con resorte

Un mtodo para asegurar el posicionamiento correcto consiste en instalar botones o pasadores con resorte en el portapieza, figura 3-19. Estos dispositivos se posicionan de forma tal que la accin del resorte empuje la pieza de trabajo contra los posicionadores fijos hasta que se la sujete. Estos accesorios con resorte no slo aseguran el posicionamiento repetible sino que adems facilitan la sujecin de la pieza de trabajo.

Figura 3-19. Los posicionadores con resorte ayudan a asegurar el posicionamiento correcto de la pieza de trabajo empujndola contra los posicionadores fijos.

Determinacin del tamao del posicionador y de las tolerancias

La pieza de trabajo en s determina el tamao general de un elemento posicionador. La regla principal para determinar el tamao del posicionador de la pieza de trabajo es que los posicionadores deben ser compatibles con la MMC (condicin de material mximo) del rea de posicionamiento. La MMC de una caracterstica es el tamao de la caracterstica donde se encuentra la mxima cantidad de material. En el caso de caractersticas externas, como ejes, la MMC es el tamao ms grande dentro de los lmites. En el caso de caractersticas internas, como los orificios, es el tamao ms pequeo dentro de los lmites. La figura 3-20 ilustra los tamaos MMC para las caractersticas externas e internas.

Figura 3-20. Los tamaos de los posicionadores siempre se basan en la condicin de material mximo de las caractersticas de la pieza de trabajo.

Determinar el tamao de posicionadores cilndricos es relativamente sencillo. Las principales consideraciones a tener en cuenta son el tamao del rea de posicionamiento y el espacio libre requerido entre el posicionador y la pieza de trabajo. Como ilustra la figura 3-21, la nica consideracin es que el pasador posicionador debe ser ligeramente ms pequeo que el orificio. En este ejemplo, el orificio tiene un dimetro de 0.500-0.510 pulg. segn las especificaciones. Siguiendo la regla de MMC, el posicionador debe encajar en el orificio a su MMC de 0.500 pulg. Dejando un espacio libre de 0.0005 entre el pasador y el orificio, el dimetro deseado del pasador sera de 0.4995 pulg. Hay disponibles pasadores posicionadores estndar aptos para varias tolerancias de orificios, o rectificados a dimensiones especficas. Un pasador redondo estndar de 1/2 pulg. con un dimetro de cabeza de 0.4995 pulg.-0.4992 pulg. sera una buena eleccin.

Figura 3-21. Determinacin del tamao de un solo pasador posicionador basndose en las condiciones de material mximo.

La precisin general del portapieza debe ser mayor que la precisin de la pieza de trabajo. Se aplican dos tipos bsicos de tolerancia a un posicionador: el primero son las tolerancias que controlan el tamao del posicionador; el segundo son las tolerancias que controlan su posicin. Pueden emplearse diferentes mtodos para determinar los valores de tolerancia apropiados asignados a un portapieza. En algunos casos, la designacin de tolerancia es un valor arbitrario predeterminado por el departamento de ingeniera que se asigna a un portapieza sin tener en cuenta la pieza de trabajo especfica. A otras tolerancias se asigna un valor especfico basado en el tamao del elemento que se va a posicionar. Aunque son ms apropiados que las tolerancias de valor nico, no tienen en cuenta los requisitos de la pieza de trabajo. Otro mtodo comnmente utilizado consiste en usar un porcentaje establecido de la tolerancia de la pieza de trabajo.

Cuanto ms cercano sea el valor de tolerancia, mayor ser el costo total para producir la pieza de trabajo. Por lo general, cuando se ajusta una tolerancia, el costo de sta aumenta de forma exponencial en relacin con su beneficio. Producir una tolerancia dos veces ms ajustada podra costar en realidad cinco veces ms.

La manufacturabilidad de una tolerancia, es decir la capacidad de los mtodos de fabricacin disponibles de lograr una determinada tolerancia, tambin es un factor crtico. Un simple orificio, por ejemplo, con una tolerancia de 0.050 pulg., puede realizarse con un punzn. No obstante, si la tolerancia es de .010, pulg., el orificio requiere taladrado. De la misma manera, si la tolerancia se ajusta a 0.002 pulg., el orificio requerir taladrado y fresado. Finalmente, con una tolerancia de 0.003 pulg., el orificio debe ser taladrado, fresado pulido para garantizar el tamao requerido.

Otro factor que se debe considerar en relacin con la manufacturabilidad de una determinada tolerancia es si la tolerancia especificada puede fabricarse dentro de la

capacidad del taller. Una tolerancia de 0.00001 pulg. es muy fcil de indicar en un plano, pero es imposible de lograr en la amplia mayora de los talleres.

No hay una tolerancia que sea apropiada para todas las caractersticas de una pieza. Aunque una determinada caracterstica puede requerir una tolerancia de posicionamiento dentro de las 0.0005 pulg., es dudoso que cada tolerancia del portapieza deba tener el mismo valor de tolerancia. La longitud de una placa de base, por ejemplo, por lo general puede realizarse a una tolerancia sustancialmente diferente de la requerida para el posicionamiento de las caractersticas especficas.

La aplicacin de tolerancias de tipo porcentual, a diferencia de las tolerancias arbitrarias, puede reflejar de forma precisa la relacin entre las tolerancias de la pieza de trabajo y las tolerancias del portapieza. La especificacin de las tolerancias del portapieza como un porcentaje de las tolerancias de la pieza de trabajo permite obtener una relacin coherente y constante entre el portapieza y la pieza de trabajo. Cuando se aplica un valor porcentual de 25 por ciento a la tolerancia de una pieza de trabajo igual a 0.050 pulg., la tolerancia del portapieza es de 0.0125 pulg. El mismo porcentaje aplicado a una tolerancia de 0.001 pulg. es de 0.00025 pulg. En este caso se mantiene una relacin proporcional de las tolerancias, independientemente de los tamaos relativos de las tolerancias de la pieza de trabajo. Como regla, el rango de tolerancias porcentuales debera ser del 20 al 50 por ciento de la tolerancia de la pieza de trabajo, normalmente determinada segn las normas del departamento de ingeniera.

GUA DE SUJECIN Posicionar la pieza de trabajo es la primera funcin bsica de una gua o portapieza. Una

vez posicionada, la pieza de trabajo debe ser sujetada para evitar que se mueva durante el ciclo operativo. El proceso de sujetar la pieza de trabajo en su posicin se denomina sujecin. Los dispositivos principales utilizados para sujetar una pieza de trabajo son los sujetadores. Para que funcionen correctamente, debe seleccionarse cuidadosamente tanto los dispositivos de sujecin como su ubicacin en el portapieza.

Factores que influyen en la seleccin de los sujetadores Los sujetadores cumplen dos funciones principales. En primer lugar, deben sostener la

pieza de trabajo contra sus posicionadores. En segundo lugar, los sujetadores deben impedir que la pieza de trabajo se mueva. Los posicionadores, no los sujetadores, deben resistir las fuerzas de corte primarias generadas durante la operacin.

Sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Los sujetadores no estn diseados para resistir las fuerzas de corte primarias. El nico propsito de los sujetadores es mantener la pieza de trabajo en su posicin contra los posicionadores y resistir las fuerzas de corte secundarias. Las fuerzas de corte secundarias son las fuerzas generadas cuando el cortador sale de la pieza de trabajo. En el taladrado, por ejemplo, las fuerzas de corte primarias suelen estar dirigidas hacia abajo y radialmente alrededor del eje del taladro. Las fuerzas secundarias son las fuerzas que tienden a levantar la pieza cuando el taladro sale por el lado opuesto de sta. Por esa razn, los sujetadores seleccionados para una determinada

aplicacin slo deben ser lo suficientemente fuertes para sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las fuerzas de corte secundarias.

La relacin entre los posicionadores y los sujetadores puede ilustrarse con una prensa de tornillo de fresa. En la figura 3-22, la prensa de tornillo contiene elementos posicionadores y sujetadores. La mordaza fija y el cuerpo de la prensa son los posicionadores. La mordaza mvil es el sujetador. La prensa de tornillo se posiciona normalmente de forma tal que los posicionadores resistan las fuerzas de corte. Al direccionar las fuerzas de corte a la mordaza fija y el cuerpo de la prensa se asegura la precisin de la operacin de torneado y se impide que la pieza de trabajo se mueva. En todos los portapiezas, es importante direccionar las fuerzas de corte a los posicionadores. La mordaza mvil de la prensa de tornillo, al igual que otros sujetadores, simplemente mantiene la pieza de trabajo en su posicin contra los posicionadores.

Figura 3-22. Una prensa de tornillo contiene elementos posicionadores y sujetadores.

Sostener firmemente en condiciones de vibracin, carga y tensin. Los siguientes factores que se deben tener en cuenta a la hora de seleccionar un sujetador son el nivel de vibracin y tensin esperado en la operacin. Los sujetadores de leva, por ejemplo, aunque son adecuados para algunas operaciones, no son la mejor opcin cuando la vibracin es excesiva ya que sta puede aflojarlos. Tambin es aconsejable agregar un margen de seguridad a las fuerzas estimadas que actan sobre un sujetador.

Proteger la pieza de trabajo contra daos. El sujetador elegido tambin debe tener caractersticas que no daen la pieza de trabajo. El dao puede producirse de diferentes maneras. Las principales preocupaciones son la distorsin y las marcas en la pieza. Si la fuerza de sujecin es excesiva, la pieza de trabajo se puede deformar o doblar. El dao en la superficie suele ser causado por sujetadores con superficies de contacto endurecidas o no giratorias. Utilice sujetadores que tengan almohadillas de contacto giratorias o un material de contacto ms suave para atenuar este problema. El mejor sujetador para una determinada aplicacin es aqul que pueda sujetar de forma adecuada la pieza de trabajo sin daar su superficie.

Mejorar la velocidad de carga y descarga. La velocidad de los sujetadores tambin es importante para la eficiencia del portapieza. Si la accin de sujecin del sujetador es lenta, como en el caso de los sujetadores de tornillo, a veces se elimina el potencial de beneficios del portapieza. La velocidad de sujecin y liberacin suele ser el factor ms importante para mantener el tiempo de carga y de descarga al mnimo.

Colocacin de los sujetadores La posicin de los sujetadores en el portapieza es tan importante para la operacin

general de la herramienta como la ubicacin de los posicionadores. Los sujetadores seleccionados deben sostener la pieza contra los posicionadores sin deformarla. Como ya sealamos, dado que el propsito de los posicionadores es resistir todas las fuerzas de corte primarias generadas durante la operacin, los sujetadores slo deben ser lo suficientemente grandes para mantener la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las fuerzas secundarias generadas durante la operacin. Para cumplir estas dos condiciones, coloque los sujetadores en los puntos ms rgidos de la pieza de trabajo. En la mayora de los portapiezas, esto significa colocar los sujetadores directamente sobre los elementos de soporte en la placa de base del portapieza, figura-3-23a.

En algunos casos, la pieza de trabajo debe sujetares contra posicionadores horizontales en lugar de sobre los soportes, figura 3-23b. En cualquiera de los dos casos, la fuerza de sujecin debe ser absorbida por los elementos posicionadores.

Figura 3-23. Los sujetadores siempre deben colocarse de forma tal que la fuerza de sujecin se dirija a los soportes o a los posicionadores.

En el caso de portapiezas con dos soportes debajo del rea de sujecin de la pieza de trabajo, deben utilizarse dos sujetadores: uno sobre cada soporte, figura 3-24a. Si se coloca un solo sujetador entre los soportes, la pieza de trabajo puede doblarse o deformarse fcilmente durante la operacin de sujecin. Si la pieza de trabajo tiene bridas u otras extensiones utilizadas para la sujecin, debe colocarse un soporte auxiliar debajo del rea extendida antes de aplicar un sujetador, figura 3-24b.

Figura 3-24. El nmero y la ubicacin de los sujetadores se determinan en funcin de la pieza de trabajo y sus soportes.

Otra consideracin para tener en cuenta al ubicar los sujetadores es la operacin de la mquina herramienta durante todo el ciclo de torneado. Los sujetadores deben colocarse de forma tal que no interfieran con la operacin de la mquina herramienta, durante el corte o ciclo de retorno. Dicha colocacin es particularmente importante en el caso de mquinas numricamente controladas. Adems de los cortadores, verifique la interferencia entre los sujetadores y otros elementos de la mquina, como prgola, mandriles, manguitos, carros de torno y columnas.

Cuando utilice una mquina automatizada, verifique todo el recorrido de la herramienta antes de utilizar el portapieza. Verifique el ciclo de torneado y el ciclo de retorno de la mquina para asegurarse de que no haya interferencias entre los cortadores y los sujetadores. Ocasionalmente, los programadores olvidan tener en cuenta el recorrido de la herramienta en el ciclo de retorno. Una forma de reducir la probabilidad de colisin y eliminar la necesidad de programar el recorrido de retorno consiste simplemente en levantar el cortador por encima del rea ms alta de la pieza de trabajo o del portapieza al final del ciclo de torneado antes de que retorne a la posicin inicial.

La mayora de los sujetadores se colocan sobre o cerca de la superficie superior de la pieza de trabajo. La altura total del sujetador, con respecto a la pieza de trabajo, debe mantenerse al mnimo. Para ello pueden utilizarse sujetadores del tipo cuello de ganso, figura 3-25. Como muestra la figura, los sujetadores tipo cuello de ganso tienen un perfil ms bajo y deben utilizarse en los casos en que se requiere una menor altura del sujetador.

Figura 3-25. El uso de sujetadores tipo cuello de ganso es una forma de reducir la altura de los sujetadores.

El tamao del rea de contacto del sujetador es otro factor que debe tenerse en cuenta al colocar un sujetador. Para reducir la interferencia entre el sujetador y el cortador, mantenga el rea de contacto lo ms reducida que sea posible teniendo en cuenta la seguridad. Un rea de sujecin pequea reduce las probabilidades de interferencia y, adems, aumenta la presin de sujecin de la pieza de trabajo. El tamao total del sujetador es otro factor para tener en cuenta. El sujetador debe ser lo suficientemente grande para sostener de forma adecuada y segura la pieza de trabajo, pero lo suficientemente pequeo para no estorbar.

Como ya sealamos antes, el principal propsito de un sujetador es mantener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Para hacerlo correctamente, la fuerza de sujecin debe direccionarse a los posicionadores, o a la parte ms slida del portapieza. Si los dispositivos de sujecin se colocan de cualquier otra manera, la pieza de trabajo puede distorsionarse o deformarse fcilmente.

La pieza de trabajo de la figura 3-26 ilustra este punto. La pieza es un anillo de pared delgada que debe fijarse de forma tal de que pueda perforarse el dimetro interno. La forma ms conveniente de sujetar la pieza de trabajo es por su dimetro externo; no obstante, para generar suficiente presin de sujecin para sostener la pieza, es probable que el sujetador deforme el anillo. Esto se debe a la direccin y magnitud de la fuerza de sujecin: en lugar de actuar contra un posicionador, las fuerzas de sujecin actan contra la fuerza elstica del anillo resistiendo la accin de sujecin. Este tipo de sujecin slo debe utilizarse si la pieza es un disco slido o tiene un orificio de dimetro pequeo y una pared de espesor grueso.

Figura 3-26. Si las fuerzas de sujecin se direccionan contra un rea sin soporte, esta pieza cilndrica se deformar.

Para sujetar este tipo de pieza, deben utilizarse otras tcnicas. El mtodo de sujecin ilustrado en la figura 3-27 muestra la pieza de trabajo sostenida con cuatro sujetadores tipo brida. La fuerza de sujecin se dirige a la placa de base y no contra la fuerza elstica de la pieza de trabajo. Si la pieza de trabajo se sujeta de esta forma, se elimina la distorsin del anillo causada por el primer mtodo.

Figura 3-27. Los sujetadores tipo brida eliminan la deformacin direccionando las fuerzas de sujecin a los soportes debajo de la pieza.

En la figura 3-28 se ilustra un mtodo de sujecin similar. En este caso, la pieza de trabajo tiene una serie de orificios alrededor del anillo que pueden utilizarse para sujetarla. Si se sujeta la pieza de trabajo de esta forma, tambin se direccionar la fuerza de sujecin contra la placa de base del portapieza. Este mtodo requiere soportes con orificios que permiten a los tornillos de sujecin sujetar la pieza a travs de los soportes.

Figura 3-28. Cuando sea posible, pueden utilizarse ciertas caractersticas de la pieza, como los orificios, para sujetarla.

Si la pieza slo puede sujetarse por su superficie externa, puede emplearse otro mtodo para sujetarla: una boquilla que encierre completamente la pieza. Como muestra la figura 3-29, la forma del contacto de sujecin ayuda a controlar la distorsin. Dependiendo del tamao de la pieza, puede usarse una boquilla o mordazas blandas con forma de pastel en este mtodo.

Figura 3-29. Cuando la pieza slo se puede sujetar por la superficie externa, pueden emplearse mordazas de mandril con forma de pastel para sostener la pieza y reducir la deformacin.

Seleccin del tamao y fuerza del sujetador Los clculos para determinar la fuerza de sujecin necesaria pueden ser bastante

complicados. En muchos casos, no obstante, alcanza con una determinacin aproximada de estos valores. La tabla de la figura 3-30 muestra las fuerzas de sujecin disponibles para una

variedad de bridas de sujecin manuales de diferentes tamaos con un ratio de fuerza de sujecin de 2 a 1.

Figura 3-30. Fuerzas de sujecin aproximadas de bridas de sujecin manuales de diferentes tamaos con una relacin de fuerza de sujecin de 2 a 1.

Como alternativa, la fuerza de sujecin requerida puede calcularse tomando como base las fuerzas de corte calculadas. En la figura 3-31 se muestra un ejemplo simplificado. La fuerza de corte es totalmente horizontal, y no se utilizan posicionadores en la pieza de trabajo, por lo que las fuerzas friccionales solas resisten las fuerzas de corte.

Figura 3-31. Clculo simplificado de la fuerza de sujecin con la fuerza de corte totalmente horizontal y sin topes en la pieza de trabajo (la fuerza friccional resiste todas las fuerzas de corte).

Si se tienen en cuenta los posicionadores de la pieza de trabajo y las fuerzas multidireccionales, los clculos se vuelven ms complejos. A fin de simplificar los clculos, puede estimarse la peor situacin de fuerza posible de forma intuitiva y luego tratarse como un problema de mecnica esttica bidimensional (usando un diagrama de cuerpo libre). En el

ejemplo incluido en la figura 3-32, se sabe que la fuerza de corte es de 1800 lbs, sobre la base de un clculo anterior. La pieza de trabajo pesa 1500 lbs. Las fuerzas desconocidas son:

FR = Fuerza total de todos los sujetadores del lado derecho FL = Fuerza total de todos los sujetadores del lado izquierdo R1 = Fuerza de reaccin horizontal del tope fijo R2 = Fuerza de reaccin vertical del tope fijo R3 = Fuerza de reaccin vertical del lado derecho N = Fuerza de direccin normal = FL + FR + 1500 = Coeficiente de friccin = 0.19

Figura 3-32. Clculo de la fuerza de sujecin ms complejo, utilizando un diagrama de cuerpo libre bidimensional.

Las siguientes ecuaciones resuelven las fuerzas desconocidas suponiendo que para una condicin esttica:

1. La suma de las fuerzas en la direccin x debe ser igual a cero. 2. La suma de las fuerzas en la direccin y debe ser igual a cero. 3. La suma de los momentos en torno a cualquier punto debe ser igual a cero.

A primera vista, este ejemplo parece "estticamente indeterminado", es decir hay cinco variables y slo tres ecuaciones. Pero para la fuerza de sujecin mnima requerida, R3 es igual a cero (apenas toca la pieza de trabajo) y FL es igual a cero (no hay tendencia a levantarse del lado izquierdo). Ahora, con slo tres variables, el problema puede resolverse:

Resolviendo las variables,

FR = 1290 lbs R1 = 1270 lbs R2 = 2790 lbs

En otras palabras, la fuerza combinada de todos los sujetadores del lado derecho debe ser mayor que 1290 lbs. Con un factor de seguridad recomendado de 2 a 1, este valor se convierte en 2580 lbs. Aunque FL (fuerza combinada de todos los sujetadores del lado izquierdo) es igual a cero, puede ser aconsejable una pequea fuerza de sujecin para evitar la vibracin.

Otra rea general de preocupacin es mantener constante la fuerza de sujecin. Los dispositivos de sujecin manuales pueden variar en la fuerza que aplican a las piezas durante una sesin de produccin. La variacin obedece a muchos factores, entre ellos la posicin del sujetador en la pieza de trabajo, aunque el cansancio del operario es la falla ms comn. La manera ms sencilla y a menudo ms adecuada de controlar la fuerza de sujecin es reemplazar los sujetadores manuales por sujetadores hidrulicos.

La fuerza generada por los sujetadores hidrulicos no slo es constante sino que adems puede ajustarse para que sea compatible con las condiciones de la pieza de trabajo. Otra ventaja de los sujetadores hidrulicos es su velocidad de funcionamiento: no slo son ms rpidos que los sujetadores manuales sino que todos los sujetadores hidrulicos se activan al mismo tiempo.