CONSIDERACIONES ECONÓMICAS Y PARA EL DISEÑO DEL PRODUCTO EN MAQUINADO
MAQUINABILIDAD
Las propiedades del material de trabajo tienen una influencia significativa sobre el éxito de la operación de maquinado. Estas propiedades y otras características del trabajo se resumen a menudo en el término “maquinabilidad”. Con maquinabilidad se denota la facilidad relativa con la que puede maquinarse un material (por lo general un metal) usando las herramientas y las condiciones de corte adecuadas.
El ensayo de la maquinabilidad implica por lo general una comparación de materiales de trabajo. El desempeño en el maquinado de un material de prueba se mide en relación con el de un material base (estándar). Las medidas posibles de desempeño en la prueba de la maquinabilidad incluyen: 1) la vida de la herramienta, 2) el desgaste de la herramienta, 3) la fuerza de corte, 4) la potencia en la operación, 5) la temperatura de corte y 6) la velocidad de remoción del material bajo las condiciones estándar de la prueba. El desempeño relativo se expresa como un número índice, llamado índice de maquinabilidad (IM). Al material base que se usa como estándar se le da un índice de maquinabilidad de 1.00. A me nudo se usa el acero B1112 como material base en comparaciones de maquinabilidad. Los materiales más fáciles de maquinar que la base tienen índices mayores a 1.00 y los materiales que son más difíciles de maquinar tienen índices menores de 1.00. Los índices de maquinabilidad se expresan con frecuencia como porcentajes en lugar de números índices. En el siguiente ejemplo se ilustra cómo puede determinarse un índice de maquinabilidad usando un ensayo de la vida de la herramienta como base de comparación.
EJEMPLO 24.1 Ensayo de maquinabilidad
Se realiza una serie de pruebas para la vida de una herramienta en dos materiales de trabajo bajo condiciones idénticas de corte, donde se varía solamente la velocidad en el procedimiento de ensayo. El primer material, definido como material base, proporciona una ecuación de Taylor para la vida de la herramienta, vT0.28 = 350 y el otro material (material de prueba) tiene la ecuación de Taylor: vT0.27 = 440, donde la velocidad está en m/minutos y la vida de la herramienta se da en minutos. Determine el índice de maquinabilidad del material de prueba usando la velocidad de corte que proporciona una vida de la herramienta de 60 minutos como base de comparación. Esta velocidad se denota por v60.Solución: El material base tiene un índice de maquinabilidad = 1.0. Su valor v60 puede determinarse por medio de la ecuación de la vida de la herramienta de Taylor como sigue:
Muchos factores de materiales de trabajo afectan el desempeño del maquinado. Las propiedades mecánicas de un material de trabajo que afectan la maquinabilidad incluyen la dureza y la resistencia. Al incrementarse la dureza, aumenta el desgaste abrasivo en lo que la vida de la herramienta se reduce. La resistencia se indica por lo general como resistencia a la tensión, aun cuando el maquinado implica esfuerzos cortantes. Por supuesto, las resistencias a la cortante y a la tensión están correlacionadas. Al aumentar la resistencia del material, se incrementan las fuerzas de corte, la energía específica y la temperatura de corte, lo que hace que el material sea más difícil de maquinar. Por otro lado, una dureza muy baja puede ir en detrimento del desempeño del maquinado. Por ejemplo, el acero al bajo carbono, cuya dureza es relativamente baja, con frecuencia es demasiado dúctil para poder maquinarlo bien. La alta ductilidad causa desgarramientos del metal al formarse virutas y produce un deficiente acabado y problemas con la eliminación de las virutas. A menudo se usa el estirado en frío de las barras de bajo carbono para incrementar su dureza superficial y propiciar el rompimiento de las virutas durante el corte.
Existen relaciones similares para otros materiales de trabajo. La tabla 24.1 proporciona una lista de metales seleccionados junto con sus índices aproximados de maquinabilidad. Estos índices pretenden resumir el desempeño de los materiales en el maquinado.
TOLERANCIAS Y ACABADO SUPERFICIAL
Tolerancias en maquinado
En cualquier proceso de manufactura existe variabilidad y las tolerancias se usan para establecer límites permisibles de esa variación (sección 5.1.1). Cuando las tolerancias son restringidas, a menudo se selecciona el maquinado, puesto que las operaciones de maquinado proporcionan una alta precisión respecto a otros procesos de formado. En la tabla 24.2 se indican las tolerancias comunes que pueden lograrse con la mayoría de los procesos de maquinado examinados en el capítulo 22. Es necesario mencionar que los va lores en esta tabla representan condiciones ideales, aunque son fácilmente alcanzables en una fábrica moderna. Si la máquina herramienta es antigua o está gastada, la variabilidad en los procesos será más grande que la ideal y será difícil mantener estas tolerancias. Por otro lado, las nuevas máquinas herramienta pueden lograr tolerancias más estrechas que las enlistadas.
En general, las tolerancias más estrechas significan costos más altos. Por ejemplo, si el diseñador de producto especifica una tolerancia de ±0.10 mm para el diámetro de un agujero de 6.0 mm, esta tolerancia podría lograrse por una operación de perforado, de acuerdo con la tabla 24.2. Sin embargo, si el diseñador especifica una tolerancia de ±0.025 mm, entonces se necesitaría una operación adicional de rimado para satisfacer la precisión en este requerimiento. La relación general entre tolerancia y costo de manufactura se describe en la figura 44.1.
Con lo anterior no se sugiere que las tolerancias más holgadas sean siempre buenas. Con frecuencia sucede que las tolerancias más estrechas y la variabilidad más baja en el maquinado de componentes individuales conducen a menos problemas de ensamblado, durante la prueba final del producto, el uso en campo y en la aceptación del cliente. Aunque estos costos no son siempre tan fáciles de cuantificar como los costos directos de manufactura, de cualquier forma pueden ser significativos. Las tolerancias más estrechas que obligan al fabricante a lograr mejor control sobre sus procesos de manufactura pueden conducir a menores costos totales de operación para la compañía en el largo plazo.
Acabado superficial en maquinado
Con frecuencia, el maquinado es el proceso de manufactura que determina la geometría final y las dimensiones de la pieza, así como la textura de la superficie (sección 5.2.2). La tabla 24.2 enlista las rugosidades superficiales típicas que pueden alcanzarse en las operaciones de maquinado. Estos acabados deben alcanzarse con facilidad mediante las máquinas herramienta modernas en buenas condiciones de mantenimiento.
A continuación se analiza cómo determinar los acabados superficiales en una operación de maquinado. La rugosidad de una superficie maquinada depende de muchos factores que pueden agruparse de la siguiente manera: 1) factores geométricos, 2) factores de material de trabajo y 3) factores de vibración y de la máquina herramienta. Mediante el análisis del acabado superficial que se realiza en este capítulo, se estudian estos factores y sus efectos.
Factores geométricos Estos factores determinan la geometría de la superficie en una pieza maquinada. Éstos incluyen: 1) el tipo de operación de maquinado; 2) la geometría de la herramienta de corte, la más importante es el radio de la nariz; y 3) el avance. La característica de la superficie que resulta de estos factores es la rugosidad superficial “ideal” o “teórica” que se obtendría en ausencia de los factores del material de trabajo, de la vibración y de la máquina herramienta.
El tipo de operación se refiere al proceso de maquinado que se usa para generar la superficie. Por ejemplo, el fresado periférico, el fresado de frente y el perfilado, todos producen superficies planas; sin embargo, la geometría de la superficie es diferente para toda operación debido a las diferencias en la forma de la herramienta y en la manera en que la herramienta interactúa con la superficie. En la figura 5.4 puede obtenerse una idea de las diferencias, al observar diferentes orientaciones posibles de una superficie.
La geometría de la herramienta y el avance se combinan para formar la geometría de la superficie. En la geometría de la herramienta, el factor importante es la forma de la punta de la herramienta. Los efectos pueden verse para una herramienta de punta sencilla en la figura 24.1. Con el mismo avance, un mayor radio de nariz causa marcas de avance menos pronunciadas, lo que produce un mejor acabado. Si se comparan dos avances con el mismo radio de la nariz, el avance más grande aumenta la separación entre las marcas de avance y conduce a un incremento en el valor de la rugosidad superficial ideal. Si la velocidad de avance es lo suficientemente grande y el radio de la nariz es lo suficientemente pequeño, de manera que el filo de corte frontal participe en la creación de la nueva superficie, entonces el ángulo del filo de corte frontal (AFCF) afectará la geometría de la superficie. En este caso, un mayor AFCF producirá un valor de la rugosidad superficial más alto. En teoría, un AFCF igual a cero podría producir una superficie perfectamente suave; sin embargo, las imperfecciones de la herramienta, del material de trabajo y del proceso de maquinado impiden alcanzar un acabado ideal como éste.
Los efectos del radio de la nariz y del avance pueden combinarse en una ecuación para predecir la media aritmética ideal de la rugosidad de una superficie producida por una herramienta de punta sencilla. La ecuación se aplica a operaciones como las de torneado, perfilado y cepillado:
donde Ri = media aritmética teórica de la rugosidad superficial, mm (in); f = avance, mm (in) y NR = radio de la nariz en la punta de la herramienta, mm (in). La ecuación supone que el radio de la nariz no es cero y que el avance y el radio de la nariz serán los factores principales que determinen la geometría de la superficie. Los valores para Ri se dan en unidades de mm (in), los cuales pueden convertirse a mm (m-in). La ecuación (24.1) puede usarse para estimar la rugosidad superficial ideal en el fresado frontal con herramienta de insertos, donde f representa la carga de viruta (avance por diente). Sin embargo, debe notarse que las puntas traseras y delanteras de los filos de rotación de la fresa producen marcas de avance sobre la superficie de trabajo, lo cual complica la geometría de la superficie.
En el fresado de placas, donde se utilizan los filos de corte recto de la fresa para generar la geometría superficial, puede usarse la siguiente relación para estimar el valor ideal de rugosidad superficial, con base en el análisis de Martellotti [13]:
donde f = carga de viruta, mm/diente (in/diente); D = diámetro de la fresadora, mm (in); y nt = número de dientes. El signo positivo en el denominador es para el fresado ascendente y el signo negativo es para el fresado descendente. En la ecuación (24.2), se supone que cada diente está igualmente espaciado alrededor del cortador, que todos los filos de corte son equidistantes al eje de rotación y que el árbol que soporta el cortador se conserva perfectamente recto durante la rotación (desviación cero). Estas suposiciones se dan muy pocas veces en la práctica. En consecuencia, los patrones ondulatorios se sobreponen frecuentemente en la superficie, donde las ondulaciones corresponden a la velocidad de rotación de corte.
Las relaciones anteriores para el acabado de la superficie ideal suponen una herramienta de corte afilada. Al desgastarse la herramienta, cambia la forma del corte y esto se refleja en la geometría de la superficie de trabajo. El efecto no se nota para desgastes ligeros. Sin embargo, cuando el desgaste de la herramienta se vuelve significativo, en especial el desgaste del radio de la nariz, la rugosidad de la superficie se deteriora en comparación con los valores ideales determinados por las ecuaciones anteriores.
Factores del material de trabajo En la mayoría de las operaciones de maquinado, no es posible alcanzar el acabado ideal de la superficie, debido a los factores que se relacio nan con el material de trabajo y a su interacción con la herramienta. Los factores del material de trabajo que afectan el acabado son: 1) efectos de recrecimiento del filo (AEF), debido a que se forma una AEF que se desprende en algún momento, las partículas se depositan en la superficie de trabajo recién creada y ocasionan una textura rugosa parecida al del papel de lija; 2) daño a la superficie causado por la viruta enredada en el trabajo; 3) desgarramiento de la superficie de trabajo durante la formación de viruta cuando se maquinan materiales dúctiles; 4) grietas en la superficie causadas por la formación discontinua de viruta cuando se maquinan materiales quebradizos y 5) fricción entre el flanco de la herramienta y la superficie de trabajo recién generada. Estos factores del material de trabajo son influidos por la velocidad de corte y el ángulo de inclinación, de manera que un aumento de la velocidad de corte o del ángulo de inclinación produce mejoras en el acabado superficial.
Los factores del material de trabajo son la causa de que el acabado real de la superficie sea en general más defectuoso que el ideal. Puede desarrollarse una relación empírica para convertir los valores de rugosidad ideal en un valor estimado de la rugosidad superficial real. Esta relación toma en cuenta la formación de AEF, el desgarre y otros factores. El valor de la relación depende de la velocidad de corte, así como el del material de trabajo. La figura 24.2 muestra la relación entre la rugosidad superficial real y la ideal como una función de la velocidad para varias clases de material de trabajo.
El procedimiento para predecir la rugosidad superficial real en una operación de maquinado es calcular el valor de la rugosidad superficial ideal y después multiplicar este valor por la relación entre la rugosidad real e ideal para la clase apropiada de material de trabajo. Esto puede resumirse como:
EJEMPLO 24.2 Rugosidad superficial
Factores de vibración y de la máquina herramienta Estos factores se relacionan con la máquina herramienta, con las herramientas utilizadas y con la instalación de la operación. Incluyen el traqueteo o vibración de la máquina o de la herramienta de corte, la deflexión de los montajes que es una resultante frecuente de la vibración y el juego entre los mecanis mos de avance, particularmente en máquinas herramienta antiguas. Si estos factores de la máquina herramienta pueden minimizarse o eliminarse, la rugosidad superficial en el maquinado será determinada primordialmente por los factores geométricos y los factores del material de trabajo descritos antes.
El traqueteo o vibración en la operación de una máquina puede producir ondulaciones pronunciadas en la superficie de trabajo. El operador puede distinguir un ruido característico cuando ocurre el traqueteo. Los pasos posibles para reducir o eliminar la vibración incluyen 1) añadir rigidez o amortiguación a la instalación, 2) operar a velocidades que no causen fuerzas cíclicas cuya frecuencia se aproxime a la frecuencia natural del sistema de la máquina herramienta, 3) reducir los avances y las profundidades para disminuir las fuerzas de corte y 4) cambiar el diseño del cortador para reducir fuerzas. La geometría de la pieza de trabajo también puede tener influencia en el traqueteo. Las secciones transversales delgadas tienden a incrementar la posibilidad de traqueteo; por lo tanto, requieren soportes adicionales para mitigar esta condición.
SELECCIÓN DE LAS CONDICIONES DE CORTE
Un problema práctico en el maquinado es seleccionar las condiciones de corte apropiadas para una operación dada. Ésta es una de las tareas de planeación de procesos (sección 41.1). Para cada operación deben tomarse decisiones acerca de la máquina herramienta, de la(s) herramienta(s) de corte y de las condiciones de corte; estas decisiones deben considerar la maquinabilidad de la pieza de trabajo, la geometría de la pieza, el acabado superficial, etcétera.
Selección del avance y de la profundidad de corte
Las condiciones de corte en una operación de maquinado consisten en la velocidad, el avance, la profundidad de corte y el fluido para corte (si se usa o no, y qué tipo de fluido). El factor dominante en la elección sobre los fluidos para corte son generalmente las consideraciones sobre las herramientas (sección 23.4). La profundidad de corte se predetermina frecuentemente por la geometría de la pieza de trabajo y la secuencia de operación. Muchos trabajos requieren una serie de operaciones de desbaste seguidas de una operación final de acabado. En las operaciones de desbaste, la profundidad se hace tan grande como sea posible dentro de las limitaciones de la potencia disponible, la máquina herramienta, la rigidez de la instalación, la resistencia de la herramienta de corte y otros factores. En el corte de acabado, se fija la profundidad para alcanzar las dimensiones finales de la pieza.
El problema se reduce entonces a la selección del avance y de la velocidad. En general, los valores de estos parámetros deben decidirse en orden: primero el avance y segundo la velocidad. La determinación de la velocidad de avance apropiada para una operación de maquinado depende de los siguientes factores:
- Herramienta. ¿Qué tipo de herramienta se usará? Los materiales más duros de herramienta (carburos cementados, cerámicos y similares) tienden a fracturarse con mayor facilidad que los aceros de alta velocidad. Estas herramientas se usan normalmente a velocidades de avance más lentas. Los aceros de alta velocidad pueden tolerar velocidades de avance más altas debido a su mayor tenacidad.
- Desbaste o acabado. Las operaciones de desbaste implican altos avances, típicamente de 0.05 a 1.25 mm/rev (0.020-0.050 in/rev) para torneado; las operaciones de acabado implican avances lentos, de manera típica, de 0.125 a 0.4 mm/rev (0.005-0.015 in/rev) para el torneado.
- Restricciones sobre el avance en desbaste. Si la operación es desbaste, ¿cuán alta puede fijarse la velocidad de avance? Para maximizar la velocidad de remoción de metal, el avance debe establecerse tan alto como sea posible. Los límites más altos en el avance son impuestos por las fuerzas de corte, la rigidez de la instalación y algunas veces por los caballos de fuerza.
- Requerimientos del acabado superficial. Si la operación es el acabado, ¿cuál es el acabado superficial que se desea? El avance es un factor importante en el acabado superficial y pueden usarse cálculos como los del ejemplo 24.2 para estimar el avance que producirá un acabado superficial deseado.
Optimización de la velocidad de corte
La selección de la velocidad de corte se basa en el mejor aprovechamiento de la herramien ta de corte particular, lo cual significa normalmente escoger una velocidad que rinda una alta velocidad de remoción de material y que sea conveniente para una vida larga de la herra mienta. Se han obtenido fórmulas matemáticas para determinar la velocidad óptima de corte para una operación de maquinado, siempre y cuando se conozcan los diferentes tiempos y componentes de costo de la operación. La derivación original de las ecuaciones económicas del maquinado se acredita a W. Gilbert [10]. Las fórmulas permiten calcular las velocidades óptimas de corte para alcanzar dos objetivos: 1) máxima velocidad de producción o 2) mínimo costo por unidad. Ambos objetivos buscan lograr un balance entre la velocidad de remoción de material y la vida de la herramienta. Las fórmulas se basan en el conocimiento de la ecuación de Taylor para la vida de la herramienta usada en la operación. Por consiguiente, se han establecido el avance, la profundidad de corte y el material de trabajo. La derivación de la fórmula se ilustrará para una operación de torneado. Se puede desarrollar derivaciones similares para otros tipos de operaciones de maquinado [2].
Maximización de la velocidad de producción Para maximizar la velocidad de producción, se determina la velocidad que minimiza el tiempo de maquinado por unidad de producción. La minimización del tiempo de corte por unidad es equivalente a la maximización de la velocidad de producción. Este objetivo es importante en casos donde las órdenes de producción deben terminarse tan rápido como sea posible.
En el torneado existen tres etapas que contribuyen a la duración del ciclo de producción total para una pieza:
1. Tiempo de manejo de la pieza Th. Es el tiempo que utiliza el operador para cargar la pieza en la máquina herramienta al principio del ciclo de producción y descargar la pieza después de completar el maquinado.
2. Tiempo de maquinado Tm. Es el tiempo real en que la herramienta desempeña el maquinado durante el ciclo.
3. Tiempo de cambio de la herramienta Tt . Al final de la vida de la herramienta, ésta debe cambiarse, lo cual toma tiempo. Este tiempo debe dividirse entre el número de piezas que se produjeron durante la vida de la herramienta. Sea np = número de piezas cortadas durante la vida de la herramienta (número de piezas que se cortan con un filo de corte hasta que la herramienta se cambia); entonces, el tiempo de cambio de la herramienta por pieza = Tt / np.
La suma de estos tres elementos de tiempo proporciona el tiempo total por unidad de producto para el ciclo de operación:
donde Tc = tiempo del ciclo de producción por pieza, minutos; los otros términos se han definido con anterioridad.
El tiempo del ciclo Tc es una función de la velocidad de corte. Al incrementarse la velocidad de corte, Tm disminuye y Tt /n p aumenta; Th no se ve afectada por la velocidad. Estas relaciones se muestran en la figura 24.3.
El tiempo total por cada pieza se minimiza a un cierto valor de velocidad de corte. Esta velocidad óptima puede identificarse con una reordenación matemática de la ecuación (24.4) como una función de la velocidad. Puede demostrarse que el tiempo de maquinado en una operación de torneado recto está dado por:
donde Ct = costo por filo cortante. $/vida de la herramienta; Pt = precio del inserto, $/inserto; y ne = número de filos cortantes por inserto. Esto depende del tipo de inserto; por ejemplo, los insertos triangulares que pueden usarse sólo por un lado (inclinación positiva de la herramienta) rinden tres filos/inserto; si pueden usarse los dos lados del inserto (inclinación negativa de la herramienta) hay seis filos/inserto, y así sucesivamente. Para herramientas que pueden reafilarse varias veces (por ejemplo, herramientas de acero de alta velocidad de vástago sólido o herramientas de carburo, soldado), el costo de la herramienta incluye el precio de compra más el costo de reafilado.
donde Ct = costo por vida de la herramienta, $/vida de la herramienta; Pt = precio de compra de la herramienta de vástago sólido o inserto soldado, $/herramienta; ng = número de vidas de la herramienta por herramienta, que es el número de veces que la herramienta puede reafilarse antes de que su desgaste sea tal que ya no pueda usarse (de 5 a 10 veces para herramientas de desbaste y de 10 a 20 veces para herramientas de acabado); Tg = tiempo para afilar o reafilar la herramienta, min/vida de la herramienta; y Cg = tasa de afilado, $/min.
La suma de los cuatro componentes de costo proporciona el costo total por unidad de producto Cc para el ciclo de maquinado:
EJEMPLO 24.3 Determinación de velocidades de corte en la economía del maquinado
Supóngase que una operación de torneado se desempeña con una herramienta de acero de alta velocidad sobre acero suave, con parámetros para la vida de la herramienta de Taylor n = 0.125, C = 70 m/min (tabla 23.2). La pieza de trabajo tiene una longitud = 500 mm y un diámetro = 100 mm. El avance = 0.25 mm/rev. El tiempo de manejo por pieza = 5.0 min y el tiempo de cambio de herramienta = 2.0 min. El costo de la máquina y del operador = $30.00/h y el costo de la herramienta = $3 por filo de corte. Encuentre: a) la velocidad de corte para la velocidad de producción máxima y b) la velocidad de corte para el costo mínimo.
EJEMPLO 24.4 Velocidad de producción y costo en la economía del maquinado
Segundo, al aumentar el tiempo o el costo de las herramientas (Ttc y Ct ), las ecuaciones de la velocidad de corte producen valores más bajos. Las velocidades más bajas permiten una mayor durabilidad en las herramientas, y es un desperdicio cambiar las herramientas con demasiada frecuencia si el costo de las mismas o el tiempo para cambiarlas es alto. Un efecto importante del factor de costo es que los insertos desechables poseen generalmente una ventaja económica sustancial sobre las herramientas que pueden afilarse varias veces. Aunque el costo por inserto es significativo, el número de filos por inserto es lo suficientemente grande, y el tiempo requerido para cambiar el filo cortante es lo suficientemente bajo para que las herramientas desechables logren velocidades de producción más altas y costos por unidad de producto más bajos.
Tercero, vmáx es siempre mayor que vmín. El término Ct /np en la ecuación (24.13) tiene el efecto de empujar el valor de la velocidad óptima hacia la izquierda en la figura 24.4, lo que resulta en un valor más bajo que en la figura 24.3. En lugar de tomar el riesgo de cortar a una velocidad por encima de vmáx o por debajo de vmín, algunos talleres de maquinado se esfuerzan en operar en el intervalo entre vmín y vmáx, un intervalo algunas veces llamado “rango de alta eficiencia”.
Los procedimientos esquematizados para seleccionar los avances y velocidades en maquinado son difíciles de aplicar en la práctica. Resulta difícil determinar la mejor velocidad de avance, porque las relaciones entre el avance y el acabado superficial, la fuerza, la potencia y otras restricciones no están fácilmente disponibles para cada máquina herramienta. Se requiere experiencia, juicio y experimentación para seleccionar el avance adecuado. La velocidad de corte óptima es difícil de calcular, porque para conocer los parámetros de la ecuación de Taylor C y n, por lo general es necesario realizar un ensayo previo. Las pruebas de este tipo en un ambiente de producción son costosas.
CONSIDERACIONES PARA EL DISEÑO DEL PRODUCTO EN MAQUINADO
Ya se han considerado varios aspectos del diseño de productos durante el estudio de la tolerancia y el acabado superficial (sección 24.2). En esta sección se presentarán algunos lineamientos de diseño para maquinado recopilados de las fuentes [1], [4] y [16]:- En lo posible, las piezas deben diseñarse para que no necesiten maquinado. Si esto no es posible, entonces debe minimizarse la magnitud del maquinado requerido en las piezas. En general, se logra un menor costo de producción mediante el uso de procesos de forma final como la fundición de precisión, el forjado en matriz cerrada o el moldeado (de plásticos); o procesos de forma casi acabada como el forjado con matrices de recalcado. Las razones que hacen necesario el maquinado incluyen las tolerancias estrechas, el buen acabado superficial y las características geométricas especiales como roscas, agujeros de precisión, secciones cilíndricas con alto grado de redondez y formas similares que no pueden lograrse por otros medios diferentes al maquinado.
- Las tolerancias deben especificarse para satisfacer los requerimientos funcionales, pero también deben considerarse las capacidades de los procesos. Véase la tabla 24.2 para capacidades de las tolerancias en maquinado. Las tolerancias excesivamente restringidas aumentan el costo y puede ser que no añadan valor a la pieza. Al hacerse más estrechas las tolerancias (más pequeñas), los costos del producto se incrementan generalmente debido a procesamientos adicionales, equipamiento, inspección, retrabajo y desperdicio (véase la figura 42.1).
- Debe especificarse el acabado superficial para cumplir con requerimientos funcionales o estéticos, pero los mejores acabados incrementan generalmente los costos de procesamiento y requieren operaciones adicionales como esmerilado o bruñido.
- Debe evitarse las formas maquinadas, como esquinas agudas, aristas y puntas, las cuales frecuentemente son difíciles de lograr por medio de maquinado. Las esquinas internas agudas requieren herramientas de corte puntiagudas que tienden a romperse durante el maquinado. Las esquinas y aristas agudas tienden a crear rebabas y son peligrosas al manejarse.
- Debe evitarse el barrenado de agujeros profundos. El barrenado de agujeros hondos requiere barras perforadoras largas. Las barras perforadoras deben ser rígidas y esto requiere frecuentemente el uso de materiales con alta rigidez, como carburos cementados, lo que resulta costoso.
- Las piezas maquinadas deben diseñarse de manera que se puedan producir a partir del material estándar disponible. Deben elegirse las dimensiones exteriores iguales o cercanas al tamaño estándar de los materiales para minimizar el maquinado; por ejemplo, piezas giratorias con diámetros exteriores iguales al diámetro estándar de las barras disponibles.
- Se deben diseñar las piezas que sean lo suficientemente rígidas para soportar las fuerzas de corte y de las mordazas de sujeción.
- Debe evitarse en lo posible el maquinado de piezas largas y delgadas, piezas planas grandes, piezas con paredes delgadas y formas similares. Debe evitarse las muescas, como las de la figura 24.5, porque frecuentemente requieren instalaciones adicionales, operaciones o herramientas especiales; también pueden conducir a las concentraciones de esfuerzos en el uso.
- Los diseñadores deben seleccionar materiales con buena maquinabilidad (sección 24.1). Como guía general, el índice de maquinabilidad de un material se correlaciona con la velocidad de corte y con la velocidad de producción disponibles. Por lo tanto, las piezas hechas con materiales de baja maquinabilidad son más costosas de producir. Las piezas que se endurecen por medio de tratamiento térmico deben acabarse mediante rectificado o esmerilado o maquinado, para lograr el tamaño y las tolerancias finales, generalmente con herramientas más costosas.
- Las piezas maquinadas deben diseñarse con formas que se puedan producir con un número mínimo de ajustes, si es posible con un solo ajuste. Por lo general, esto indica características geométricas que puedan formarse desde un solo lado de la pieza (véase la figura 24.6).
- Las piezas maquinadas deben diseñarse con formas que puedan lograrse con herramientas de corte estándar. Esto significa evitar tamaños inusuales de barrenos, roscas y características de formas extrañas que requieren herramientas con formas especiales. Además, resulta útil diseñar piezas que necesiten un número mínimo de cortes individuales en maquinado; esto permite frecuentemente completar la pieza en un solo ajuste de máquinas, como un centro de maquinado con capacidad limitada de almacenamiento de herramientas.
REFERENCIAS
[1] Bakerjian, R. (ed.), Tool and Manufacturing Engineers Handbook, 4a. ed., vol VI, Design for Manufacturability. Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1992.
[2] Boothroyd, G. y Knight, W. A., Fundamentals of Metal Machining and Machine Tools, 2a. ed. Marcel Dekker. Inc., Nueva York, 1989.
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[4] Bralla. J. G. (ed.), Design for Manufacturability Handbook, 2a. ed. McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1998.
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[6] DeGarmo, E. P., Black, J. T. y Kohser, R. A., Materials and Processes in Manufacturing, 9a. ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 2003.
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[9] Ewell, J. R., “Thermal Coefficients—A Proposed Machinability Index”, Technical Paper MR67-200, Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Mich., 1967.
[10] Gilbert, W. W., “Economics of Machining”. Machining— Theory and Practice, American Society for Metals, Metals Park, Ohio, 1950. pp. 465-485.
[11] Groover, M. P., “A Survey on the Machinability of Metals”. Technical Paper MR76-269, Society of Manufacturing Engineers, Dearborn, Mich., 1976.
[12] Machining Data Handbook, 3a. ed., vols. I y II. Metcut Research Associates, Inc., Cincinnati, Ohio, 1980. [13] Martellotti, M. E., “An Analysis of the Milling Process”. ASME Transactions, vol. 63, noviembre de 1941, pp. 677- 700.
[14] Schaffer, G. H., “The Many Faces of Surface Texture”. Special Report 801. American Machinist & Automated Manufacturing. Junio de 1988, pp. 61-68.
[15] Surface Finish, Machining Development Service. Publicación A-5, General Electric Company, Schenectady, Nueva York (sin fecha).
[16] Trucks. H. E. y Lewis. G., Designing for Economical Production, 2a. ed., Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Mich., 1987.
[17] Van Voast, J., United States Air Force Machinability Report, vol. 3, Curtiss-Wright Corporation, 1954.
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