Capítulo 1

Programación cronológica de mecanizados de CNC para el mecanizado por arranque de viruta

1. Introducción

El control numérico es la evolución más reciente de las tecnologías de fabricación. Se podría considerar como un conjunto de elementos que automatizan los procesos de fabricación mediante un control alfanumérico.

La utilización del control numérico surge como consecuencia de la necesidad de fabricar piezas con una geometría compleja y una precisión dimensional alta. Dicha necesidad surgió al tener que fabricar una leva tridimensional para la bomba de inyección de los aviones utilizados en la campaña del Pacífico en la Segunda Guerra Mundial, lo que llevó a la Bendix Corporation a emplear un calculador que generaba un elevado número de puntos de la trayectoria y permitía guiar la punta de la herramienta de la fresadora de tres ejes independientes con la que se mecanizaba la leva.

En este capítulo, se verán todas las operaciones previas necesarias antes de comenzar el proceso de mecanizado: el estudio del plano de la pieza a fabricar, el análisis de las operaciones elementales, la selección de herramientas, la definición de las condiciones técnicas de mecanizado y la secuenciación de operaciones.

Un operario debe conocer perfectamente las prestaciones y los límites en los que opera la máquina. No es suficiente con colocar la pieza y manipular el panel de control, sino que se debe estudiar y planificar todo el proceso de forma anticipada.

En este sentido, se supone que el alumno tiene ya un conocimiento tanto de los procesos y sus variables operativas como de las máquinas utilizadas en mecanizado por arranque de viruta, aconsejándose un repaso previo de estos conceptos para un mayor aprovechamiento del curso.

2. Planificación del trabajo

La producción de una pieza debe seguir unos criterios de calidad, tanto en la consecución de sus características geométricas y superficiales como en su realización en el plazo prescrito y con el coste previsto.

La fabricación se lleva a cabo en una fábrica, con unas determinadas máquinas, unos operarios, unos plazos de entrega, unos suministros etc.

Debido a todo esto y para satisfacer los objetivos de calidad anteriormente citados, se han de optimizar los recursos disponibles y las acciones a realizar, lo que conduce a una planificación previa que se puede dividir en cinco niveles:

Nota

Además, se suelen fabricar tiradas grandes de piezas de un tipo o variadas.

1. Planificación de la producción: en esta etapa, se realiza un listado de productos a fabricar, el plazo en el que hay que suministrarlos y la cantidad.
2. Planificación de pedidos: se planifican los componentes cuya fabricación se subcontrata, los suministros necesarios, los accesorios y la mano de obra.
3. Planificación de la capacidad: a este nivel se especifican los horarios y la secuencia de tareas, procurando minimizar los tiempos muertos en máquina, para cumplir con el plan de pedidos. También se establecen los fondos para mantener la producción y la solución a cualquier tipo de problema que pudiera aparecer.
4. Planificación de procesos: para cada componente en particular, se seleccionan y definen al detalle las distintas etapas a realizar para conseguir el producto final. Se determina el tiempo de fabricación de una pieza a partir de las distintas operaciones a realizar, con lo que se determinan los plazos para los diferentes lotes de piezas.
5. Planificación de operaciones: se define la documentación a partir de los datos en la planificación de procesos. Se utilizan:

1. La hoja de ruta: documento que acompaña al lote de fabricación y donde se señalan los tiempos, los controles de calidad y todas las incidencias que hayan podido ocurrir.
2. La ficha de operación: por cada operación, se realiza una ficha con todos los detalles de esta.

2.1. Planos

Antes de empezar a realizar cualquier operación, hay que determinar la posibilidad de fabricación de la pieza cumpliendo con las especificaciones del plano.

Se debe hacer un estudio de los procesos disponibles en planta y un estudio técnico sobre todas las operaciones a realizar sobre la pieza en bruto, utillajes y capacidad de producción para cumplir con el pedido.

Nota

También habrá que tener los instrumentos de control necesarios para el control de calidad del producto resultante.

Para realizar con éxito este estudio previo, se deben seguir los siguientes pasos:

1. Numeración de las superficies a mecanizar.
2. Análisis de las características de las superficies.
3. Análisis de la preforma necesaria.
4. Análisis del resto de especificaciones.

Numeración de superficies

En el plano suministrado, se numeran todas las superficies que tengan algo característico que las distinga de las demás.

Ejemplo 1^a parte

Se va a mostrar un ejemplo del estudio previo a la realización del programa de CNC para realizar una pieza.

Material: Acero fundido.

Creces: 5 mm en superficies a mecanizar.

Ra = 3.2 en superficies a mecanizar, salvo indicación contraria.

Análisis de las características de las superficies

Las diferentes superficies de la pieza vendrán caracterizadas por:

1. El acabado superficial: dado normalmente por el valor medio de la rugosidad superficial R_a.

Nota

El valor medio de la rugosidad superficial Ra, se puede estimar como:

Ra = f^2/(32*r)

Siendo “f” el avance y “r” el radio de la herramienta.

1. Las tolerancias dimensionales: definidas en el plano para cada superficie de trabajo y con diferentes valores, dependiendo de la función de dicha superficie. Se pueden asociar a la propia superficie o ser relativas a otras superficies.
2. Tolerancias geométricas: son tolerancias de forma y posición que, en algunos casos, pueden condicionar el proceso a utilizar y sus parámetros, como las condiciones de corte y las sujeciones utilizadas. Las superficies de referencia de las tolerancias geométricas siempre se mecanizan primero, ya que normalmente esto dará un mejor plano de apoyo.

Nota

La representación de las tolerancias geométricas en los dibujos se realiza mediante un rectángulo dividido en dos o más secciones, mostrando de izquierda a derecha la siguiente información:

1. Símbolo de la característica a controlar.
2. Valor de la tolerancia. Si dicha tolerancia es circular o cilíndrica irá precedida del signo ϕ
3. Letra identificativa del elemento de referencia si lo hay.

Ejemplo 2^a parte

Estudio de la información geométrica del plano:

Las superficies son básicamente cilindros y planos de una pieza de revolución.

Especificaciones

Tipo de superficie: P = Plana, C = Cilíndrica.

Análisis de la preforma

Para elegir la preforma a partir de la cual se va a fabricar la pieza, hay que escoger:

1. El tipo de material: del material a utilizar se debe conocer su maquinabilidad.
2. La forma y dimensiones: la preforma tiene unas dimensiones mayores que la pieza a fabricar, con lo cual se define el número de operaciones que habrá que realizar para llegar al producto.

Una vez se tiene la geometría de la preforma, conviene señalar los volúmenes que sobran para conseguir la pieza final. Dichos volúmenes se relacionan con las diferentes operaciones de mecanizado capaces de eliminarlos.

Es importante tener en cuenta que se deben realizar al final las operaciones que generen secciones débiles, posibles flexiones de pieza o desviaciones de herramienta.

Ejemplo 3^a parte

Determinación de los volúmenes de mecanizado:

1. Restricciones tecnológicas por la interferencia de volúmenes de mecanizado: evitar corte interrumpido, mejorar la entrada de la herramienta.
2. Restricciones económicas: reducir trayectorias.

Determinación de los volúmenes de mecanizado

Definición

Maquinabilidad

Propiedad de los materiales que permite comparar la facilidad con que pueden ser mecanizados por arranque de viruta. Una mejor maquinabilidad implica una menor potencia requerida y menores fuerzas de corte, además de un desgaste menor de las herramientas y un mejor acabado superficial.

Análisis del resto de especificaciones

Una vez que se realizan los estudios previos sobre el plano de la pieza a fabricar, queda definir perfectamente para cada una de las operaciones de mecanizado las máquinas a utilizar, los parámetros de corte y, con estos datos, los tiempos de trabajo. Esto se reflejará posteriormente en la hoja de proceso de fabricación de la pieza.

Nota

Antes de realizar la hoja de proceso, conviene siempre definir el orden de las operaciones, basándose en la información extraída del plano de la pieza y en sus características geométricas y superficiales.

2.2. Hoja de proceso

En esta etapa del proceso de planificación, se intentan determinar todas las operaciones necesarias y ordenarlas.

A continuación, se citan los factores que influyen a la hora de seleccionar las distintas operaciones y su orden:

1. Factores tecnológicos de las máquinas:
   1. Tipos de superficies realizables.
   2. Asociación de superficies (a nivel de herramientas y trayectorias).
   3. Condiciones de corte y características de la máquina a utilizar.
   4. Calidad superficial.
2. Factores tecnológicos de las herramientas:
   1. Operaciones de desbaste y acabado.
   2. Material a mecanizar y desgaste de la herramienta.
   3. Condiciones de corte.
   4. Calidad superficial.
3. Factores tecnológicos de los utillajes:
   1. Amarre y posicionado de las piezas.
   2. Amarre y posicionado de las herramientas.
4. Factores económicos:
   1. Valor hora de la máquina, tamaño del lote, plazo de entrega, etc.
5. Factores físicos:
   1. Propiedades físicas del material.
6. Factores geométricos: creces del material, precisión dimensional y tratamientos superficiales. El diseño de la hoja de proceso puede variar, pero debe tener toda la información necesaria para elaborar la pieza en cuestión, indicando:
   1. Identificación de la pieza.
   2. Croquis de la pieza.
   3. Orden a seguir para efectuar las distintas operaciones que componen el proceso.
   4. Máquina-herramienta, herramientas y útiles empleados.
   5. Condiciones de corte (avance, profundidad de pasada, velocidad de corte, número de revoluciones por minuto de la pieza o herramienta, etc.).
   6. Tiempos de mecanizado.

Los datos que pueden aparecer en una hoja de proceso son:

1. Fase: operaciones realizadas en una misma máquina.
2. Subfase: operaciones realizadas en un mismo amarre de la pieza.
3. Operación: operaciones realizadas con la misma herramienta/ciclo de mecanizado.
4. Designación: descripción de la operación individual.
5. Croquis: esquema simple de la operación.
6. Hta: especifica el útil a usar.
7. Vc, n, p, a: condiciones de corte.

Nota

La calidad de un corte en un proceso de mecanizado por arranque de viruta depende de factores asociados a la máquina y al fluido de corte utilizado, pero también influyen las condiciones de corte elegidas.

Dicha elección determinará la rapidez con la que se realiza el mecanizado de una pieza o el acabado superficial que se obtendrá.

Los parámetros que definen las condiciones de un proceso de corte son:

1. Vc, velocidad de corte.
2. p, penetración o profundidad de cada pasada (también se puede definir el número de pasadas, con lo que queda determinado la profundidad de cada una de ellas).
3. a, avance o velocidad de avance.

Ejemplo de una hoja de proceso

2.3. Orden de fabricación

Una vez se tiene la hoja de proceso de un determinado producto, se genera la orden de fabricación técnica, que autoriza al responsable de taller a comenzar la fabricación. En este tipo de orden, quedan recogidas una descripción física de los productos, las necesidades materiales para fabricarlos y la mano de obra necesaria para la fabricación.

Aplicación práctica

Esquematice las distintas operaciones y su orden para tornear el siguiente eje escalonado. No hay que especificar las condiciones de corte.

SOLUCIÓN

Distintas operaciones para tornear el eye escalonado

En la solución, se muestran las condiciones de corte adoptadas en el mecanizado del eje, para que el alumno pueda comprobar cómo se modifican las mismas según se realice una pasada de desbaste o una pasada de acabado. Es importante hacer notar esos cambios para conseguir un acabado superficial óptimo y de calidad en la pieza final.

Nota

Al mismo tiempo, en la orden de fabricación, se describen las operaciones a realizar, así como el plazo de fabricación.

3. Relación de funciones de programación de CNC y operaciones de mecanizado

El programa de mecanizado debe ser introducido en el control numérico de una forma adecuada para que este lo interprete de manera correcta. Deberá contener todos los datos geométricos y tecnológicos necesarios para que la máquina-herramienta ejecute las operaciones necesarias.

El programa está compuesto por bloques que contienen una serie de instrucciones en un determinado código, llamado código ISO, que permiten controlar en todo momento el desplazamiento relativo de la punta de la herramienta en relación a la pieza.

Las funciones que componen el código ISO se estudiarán con más profundidad más adelante, pero conviene mencionarlas para ir familiarizándose con ellas:

1. Funciones preparatorias (G): permiten posicionar la herramienta, indicar el tipo de trayectoria, aplicar una compensación longitudinal o radial por tamaño de herramienta, etc.
2. Funciones de control de avances y velocidades de corte (F, S): para fijar la velocidad de avance y corte de la máquina.
3. Funciones de control de herramientas (T): contienen la información sobre la geometría de las herramientas que se van a utilizar en cada fase, para poder aplicar la compensación en radio y/o longitud.
4. Funciones auxiliares (M): contienen información tecnológica, como activar el refrigerante o especificar el sentido de giro del husillo.

Ejemplo

N0010 G00 X105.00 Y-137.00 Z0.00

Este bloque indica a la herramienta de una fresadora que se desplace de la manera más rápida que permitan los actuadores de la misma al punto dado por las coordenadas (105,-137,0), desde una posición inicial de partida.

A continuación, se muestra la asignación de caracteres, según norma ISO 841, para las distintas funciones.

3.1. Ejemplo de programa de mecanizado para torno CNC

A continuación, se va a realizar el programa de mecanizado para torno CNC, para obtener la pieza representada en la siguiente figura.

El mecanizado se llevará a cabo bajo las siguientes condiciones:

1. Desbaste:
   1. Velocidad de corte 150 m/min.
   2. Avance 100 mm/min.
   3. Plaquita cuadrada de 9 mm de lado, con un ángulo de posición de 90º. Montada en la posición de la torreta 1, con el corrector de herramienta 1.
2. Acabado:
   1. Velocidad de corte 200 m/min.
   2. Avance 0.1 mm / rev.
   3. Plaquita rómbica de 7 mm de lado, radio de punta 0,2 mm y montada con un ángulo de posición de 95º. Montada en la posición de la torreta 2, con el corrector de herramienta 2.

El material de partida es una barra de diámetro 100 mm y longitud 90 mm. La velocidad máxima del husillo es de 2.000 rpm.

El programa queda de la siguiente manera:

Conviene comentar que en la línea 250, la orden G68 es un ciclo fijo de desbaste según el eje Z. A continuación, se da una breve explicación:

1. P0: coordenada X absoluta del punto inicial del perfil.
2. P1: coordenada Z absoluta del punto inicial del perfil.
3. P5: paso máximo (distancia entre pasadas horizontales).
4. P7: sobreespesor para acabado según el eje X.
5. P8: sobreespesor para acabado según el eje Z.
6. P9: indica si se realiza la pasada de acabado dentro del mismo ciclo. Si se desea utilizar otra plaquita para el acabado, es necesario realizar la pasada de acabado fuera del ciclo. En este caso, se programa P9 = K0.
7. P13: número de bloque donde comienza la definición del perfil.
8. P14: número de bloque donde finaliza la definición del perfil.

4. Codificación y secuenciación de las operaciones de mecanizado por arranque de viruta

A continuación, se va a plantear el estudio previo al comienzo de la producción de una pieza desde un enfoque totalmente práctico. El alumno no debe atender tanto a la estructura y sintaxis del programa de control numérico, ya que eso se estudiará más adelante, y sí a los diferentes pasos a ejecutar antes de obtener la pieza en su forma definitiva.

4.1. Ejemplo. Pieza 1

Se va a realizar el programa de mecanizado para la pieza representada en el plano:

1. Material: Fundición.
2. Tamaño de la pieza de partida: Ø 100 × 30.

Una vez se tiene el plano de la pieza a fabricar, se conocen los parámetros de trabajo de las máquinas que habrá que utilizar y las herramientas disponibles. Hay que esquematizar el proceso en fases (por máquina), subfases (por agarre) y operaciones (por el tipo de operación). En este caso simple, solo hay una máquina, con lo que a las subfases se las llamará fases para simplificar.

Nota

Los demás parámetros que se pueden añadir a este esquema inicial del proceso de mecanizado son datos de la máquina y las herramientas.

Un croquis de cada una de las operaciones ayuda mucho a la hora de que el operario haga el programa y facilita la localización de posibles errores.

En este caso, quedaría:

Una vez se tiene la planificación de las diferentes operaciones, solo queda codificar el programa, resultando lo siguiente:

En este momento, tras la primera fase, la pieza está como se muestra en la imagen.

Ahora habrá que cambiar el agarre para poder mecanizar el resto de la pieza.

Tras la segunda fase de mecanizado se obtiene la pieza mostrada en el plano.

Este ejemplo muestra el orden lógico a seguir en el mecanizado de una pieza desde que se recibe el encargo hasta que se termina la pieza.

En los próximos capítulos, se estudiará en profundidad la fase de programación propiamente dicha y toda la variedad de recursos existentes para mejorar y facilitar el proceso de trabajo sobre la pieza.

5. Resumen

En este capítulo, se ha estudiado el comienzo del proceso de fabricación de una pieza desde que llega el plano hasta que se conocen perfectamente cada una de las fases del proceso. Se determinan las máquinas a utilizar y las herramientas más convenientes, dentro de cada máquina, para realizar el proceso y los parámetros de corte adecuados a cada operación.

La información a recopilar puede ser abundante y el detalle en la misma facilitará la labor posterior de programación y mecanizado.

El operario encargado de diseñar el proceso deberá tener sólidos conocimientos en interpretación de planos, diseño de procesos de corte a partir de unos parámetros operativos de las máquinas de las que dispone y, por último, de un sentido económico de la optimización, de forma que el diseño del proceso resulte con la máxima calidad y rentabilidad para todas las partes.

Ejercicios de repaso y autoevaluación

1.  Antes de la fabricación de una pieza, se debe realizar una planificación del trabajo para...

1. ... cumplir plazos de entrega.
2. ... conocer los recursos que serán necesarios.
3. ... planificar el orden de las operaciones.
4. Todas las opciones anteriores son correctas.

2.  El estudio de los planos previo al comienzo de la fabricación es importante, ya que...

1. ... no es necesario.
2. ... solo se necesitan conocer las dimensiones finales de la pieza.
3. ... sirve para conocer las dimensiones y acabados superficiales, además de poder planificar el orden de las operaciones.
4. Todas las opciones anteriores son incorrectas.

3.  La importancia de la preforma radica en que...

1. ... influye directamente en el número de pasadas a realizar.
2. ... puede simplificar el diseño del utillaje para sujetar la pieza.
3. ... la preforma no influye en el proceso de mecanizado.
4. Las opciones a. y b. son correctas.

4.  ¿Cuál puede ser la razón de dar una pasada final de acabado?

1. Disminuir el tiempo de fabricación de la pieza.
2. Dejar un acabado superficial óptimo en dicha superficie.
3. Alargar la vida de la herramienta.
4. Todas las opciones anteriores son correctas.

5.  ¿Tienen influencia las propiedades del material en la planificación del proceso de fabricación?

1. Sí, condicionan las herramientas a utilizar y los parámetros de corte.
2. Sí, condicionan el orden de las operaciones.
3. No, lo que verdaderamente influye es la forma de la pieza.
4. Las respuestas a. y b. son correctas.

6.  Atendiendo a la figura mostrada a continuación, ¿qué zona habría que mecanizar primero?

1. La zona 2, para poder dirigir la herramienta de dentro hacia fuera y minimizar su recorrido.
2. La zona 1, para evitar el debilitamiento de la pieza.
3. La zona 2, ya que tiene un acceso más complicado.
4. Da igual la zona por la que se comience el mecanizado.

7.  En la sección de pieza mostrada a continuación hay que realizar una operación de taladrado y una de ranurado. ¿Qué operación se haría antes?

1. El taladrado, para evitar la desviación de la broca.
2. El ranurado, ya que permite realizar el taladrado de manera más sencilla.
3. Es indiferente la operación que se realice antes.

8.  Las funciones asociadas al movimiento de la herramienta son:

1. Las funciones G.
2. Las funciones T.
3. Las funciones M.
4. La función F.

9.  ¿Cómo se puede dividir el proceso de fabricación de una pieza?

1. En subfases y operaciones, si todo se hace en la misma máquina.
2. En fases, subfases y operaciones, cuando se utilizan varias máquinas.
3. En subfases y operaciones, cuando se utilizan varias máquinas.
4. La opciones a. y b. son correctas.

10.  El croquis en la hoja de proceso es importante, ya que...

1. ... ayuda a identificar las diferentes operaciones.
2. ... facilita la localización de errores en la codificación del programa.
3. ... muestra en cada paso lo que queda por mecanizar.
4. Todas las opciones anteriores son correctas.