Instituto Instituto Te Tecnológico cnológico de Tlalnepantla Manufactura Manufactura Avanzada Ing. Eduardo Corone Co ronell Guerra Introducción Introducción a la Manufactura Guevara Mora Francisco Noe 1221!"1 #$2
An%lisis de &peración de Ma'uinado
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La palabra manufactura se deriva de las palabras latinas manus (mano) y facías (hacer); la combinación de ambas significa hecho a mano. La palabra manufactura tiene varios siglos de antigüedad, y "hecho a mano" describe en forma adecuada los métodos manuales que se utiliaban cuando se acu!ó la epresión# La mayor parte de la manufactura moderna se lleva a cabo por medio de maquinaria automatiada y controlada por computadora que se supervisa manualmente# $omo campo de estudio en el conteto moderno, la manufactura se puede definir de dos maneras% una tecnológica y la otra económica# &n el sentido tecnológico, la manufactura es la aplicación de procesos f'sicos y qu'micos para alterar la geometr'a, propiedades o apariencia de un material de inicio dado para fabricar pieas o productos; la manufactura también incluye el ensamble de pieas mltiples para fabricar productos# Los procesos para llevar a cabo la manufactura involucran una combinación de mquinas, herramientas, energ'a y traba*o manual, como se ilustra en la figura +#+a)# $asi siempre, la manufactura se e*ecuta como una secuencia de operaciones# $ada una de éstas lleva al material ms cerca del estado final que se desea# &n el sentido económico, la manufactura es la transformación de los materiales en art'culos de valor mayor por medio de uno o ms operaciones de procesamiento o ensamblado, segn lo ilustra la figura +#+)# La clave es que la manufactura agrega valor al material cambiando su forma o propiedades, o mediante combinar materiales distintos también alterados# &l material se habr hecho ms valioso por medio de las operaciones de manufactura e*ecutadas en él# $uando el mineral de hierro se convierte en acero se le agrega valor# -i la arena se transforma en vidrio se le a!ade valor# $uando el petróleo se refina y se convierte en plstico su valor aumenta# . cuando el plstico se modela en la geometr'a comple*a de una silla de *ard'n, se vuelve ms valioso# &s frecuente que las palabras manufactura y producción se usen en forma indistinta# &l punto de vista del autor es que la producción tiene un significado ms amplio que la manufactura# /ara ilustrar esto, se puede utiliar la epresión "producción de petróleo crudo", pero la frase "manufactura de petróleo crudo" parece fuera de lugar# -in embargo# $uando se emplea en el conteto de productos tales como pieas metlicas o automóviles, cualquiera de ambas palabras es aceptable# 0na operación de procesamiento utilia energ'a para modificar la forma, las propiedades f'sicas o la apariencia de una piea, a fin de agregar valor al material# Las formas de la energ'a incluyen la mecnica, térmica, eléctrica y qu'mica# La energ'a se aplica en forma controlada por medio de maquinaria y herramientas# 1ambién se requiere de la energ'a humana, pero los traba*adores se emplean por lo general para controlar las mquinas, supervisar las operaciones y cargar y descargar las pieas antes y después de cada ciclo de operación# &n la figura +#+a) se ilustra un modelo general de operación de procesamiento# &l material alimenta al proceso, las mquinas y herramientas aplican energ'a para transformar el material, y la piea terminada sale del proceso# La mayor'a de las operaciones de producción generan desperdicios o sobrantes, sea como un aspecto natural
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del proceso (por e*emplo, remoción de material como en el maquinado) o en forma de pieas defectuosas ocasionales# 0n ob*etivo importante de la manufactura es reducir el desperdicio en cualquiera de esas formas# /or lo general se requiere ms de una operación de procesamiento para transformar el material de inicio a su forma final# Las operaciones se llevan a cabo en la secuencia particular que se requiere para alcanar la geometr'a y condición definidas por las especificaciones del dise!o# -e distinguen tres categor'as de operaciones de procesamiento% +) operaciones de formado, 2) operaciones de me*oramiento de una propiedad, y 3) operaciones de procesa4 miento de una superficie# Las operaciones de formado alteran la geometr'a del material inicial de traba*o por medio de varios métodos# Los procesos comunes de formado incluyen al moldeado, la for*a y el maquinado# Las operaciones de mejoramiento de una propiedad agregan valor al material con la me*ora de sus propiedades f'sicas sin cambio de la forma# &l e*emplo ms comn es el tratamiento térmico# Las operaciones de procesamiento de una superficie se e*ecutan para limpiar, tratar, recubrir o depositar material sobre la superficie eterior del traba*o# &*emplos comunes del recubrimiento son el cromado y el pintado# /rocesos de formado% La mayor parte de los procesos de formado aplican calor o fueras mecnicas o una combinación de ambas para que surtan un efecto en la geometr'a del material de traba*o# 5ay varias maneras de clasificar los procesos de formado# La clasificación que se utilia en este libro se basa en el estado del material de inicio, y tiene cuatro categor'as% +) procesos de moldeado, en los que el material con que se comiena es un líquido calentado o semifluido que se enfr'a y solidifica para formar la geometr'a de la piea; 2) procesos de sinterizado o procesamiento de panículas, en los que los materiales de inicio son polvos, que se forman y calientan con la geometr'a deseada; 3) procesos de deformación, en los que el material con que se comiena es un sólido dúctil (metal, por lo comn) que se deforma para crear la piea; y 6) procesos de remoción de material, en los que el material de inicio es un sólido (dctil o quebradio), a partir del cual se retira material de modo que la piea resultante tenga la geometr'a que se busca# &n la primera categor'a, el material de inicio se calienta lo suficiente para transfor4 marlo a un l'quido o a un estado altamente plstico (semifluido)# $asi todos los materiales se pueden procesar de esta manera# Los metales, vidrios cermicos y plsticos pueden calentarse a temperaturas suficientemente elevadas para convertirlos en l'quidos# &l material en forma l'quida o semifluida se vac'a o se le fuera para que fluya en una cavidad llamada molde, donde se enfr'a hasta la solidificación, con lo que adopta la forma del molde# La mayor'a de procesos que operan de esta manera se denominan fundición o moldeado# Fundición es el término que se emplea para los metales, y moldeado es el nombre comn usado para plsticos# &n la figura +#7 se ilustra esta categor'a de procesos de formado#
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&n el procesamiento de partículas, el material de inicio son polvos metlicos o cermicos# 8unque estos dos materiales son muy diferentes, los procesos para darles forma a partir del procesamiento de part'culas son muy similares# La técnica comn involucra la presión y el sinteriado, que se ilustran en la figura +#, en las que los polvos primero se fueran hacia una cavidad llamada matri o dado a una gran presión, y después se calientan para unir las part'culas individuales#
&n los procesos de deformación: la piea inicial que se traba*a se conforma por medio de la aplicación de fueras que eceden la resistencia del material# /ara que el material se forme de este modo, debe ser suficientemente dctil para evitar que se fracture durante la deformación# /ara incrementar su ductilidad (y por otras raones), es comn que antes de darle forma, el material de traba*o se caliente hasta una temperatura por deba*o del punto de fusión# Los procesos de deformación se asocian de cerca con el traba*o de los metales, e incluyen operaciones tales como el forjado y la extrusión, que se ilustran en la figura +#9#
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Los procesos de remoción de material son operaciones que retiran el eceso de material de la piea de traba*o con que se inicia, de modo que la forma que resulta tiene la geometr'a buscada# Los procesos ms importantes de esta categor'a son las operaciones de maquinado tales como torneado, perforado y fresado, que se muestran en la figura +#:# &stas operaciones de corte se aplican ms comnmente a metales sólidos, y se llevan a cabo con el empleo de herramientas de corte ms duras y fuertes que el metal de traba*o#
tro proceso comn de esta categor'a es el rectificado. tros procesos de remoción de material se conocen como no tradicionales debido a que utilian lser, haces de electrones, erosión qu'mica, descargas eléctricas o energ'a electroqu'mica para retirar el material, en ve de herramientas de corte o rectificado# $uando una piea inicial de traba*o se transforma en una geometr'a subsecuente, es deseable minimiar el desperdicio y los desechos# $iertos procesos de conformación son ms eficientes que otros, en términos de conservación del material# Los procesos de remoción de materiales (por e*emplo, el maquinado) tienden a desperdiciar material, tan sólo por la forma en que operan# &l material que se retira de la forma inicial se desperdicia, al menos en lo referente a la operación unitaria# tros procesos, tales como ciertas operaciones de fundición y moldeado, con frecuencia convierten casi el +<<= del material con que se comiena en el producto final# Los procesos de manufactura que transforman casi todo el material de inicio en el producto, y no requieren maquinado posterior para alcanar la geometr'a definitiva de la piea, se
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llaman procesos deforma neta. tros procesos que requieren de un maquinado m'nimo para producir la forma final, reciben el nombre de procesos de forma casi neta. /rocesos de me*oramiento de una propiedad &l segundo tipo principal de procesamiento de una piea se lleva a cabo para me*orar las propiedades mecnicas o f'sicas del material de traba*o# &stos procesos no alteran la forma de la piea, salvo de manera accidental en algunos casos# Los procesos ms importantes de me*oramiento de una propiedad involucran los tratamientos trmicos, que incluyen varios procesos de recocido y templado de metales y vidrios# &l sinterizado de metales y cermicos pulveriados, que se mencionó antes, también es un tratamiento a base de calor que aglutina una piea de metal pulveriado y comprimido# /rocesamiento de una superficie% Las operaciones de procesamiento de una superficie incluyen +) limpiea, 2) tratamientos de una superficie, y 3) procesos de recubrimiento y deposición de una pel'cula delgada# La limpieza incluye procesos tanto qu'micos como mecnicos para retirar de la superficie suciedad, aceite y otros contaminantes# Los tratamientos de una superficie incluyen traba*os mecnicos tales como granallado y chorro de arena, as' como procesos f'sicos tales como difusión e implantación de iones# Los procesos de recu!rimiento y deposición de una película delgada aplican una capa de material a la superficie eterior de la piea que se traba*a# Los procesos comunes de recubrimiento incluyen la galvanoplastia y anodización del aluminio, el recu!rimiento orgnico (llamado pintado", y el !arnizado de porcelana# Los procesos de deposición de pel'cula incluyen la deposición física y química de vapor #$%&, '%&", a fin de formar recubrimientos de varias sustancias delgadas en etremo# -e han adaptado varias operaciones severas de procesamiento de superficies para fabricar materiales semiconductores de los circuitos integrados para la microelectrónica# &sos procesos incluyen deposición qu'mica de vapor, deposición f'sica de vapor y oidación# -e aplican en reas muy localiadas de la superficie de una oblea delgada de silicio (u otro material semiconductor) con ob*eto de crear el circuito microscópico# Metodolog(a )ara la Manufactura de *na )ieza Ter+inada
/or lo general, la manufactura es una actividad comple*a que comprende una amplia variedad de recursos y actividades, como las siguientes% • • • • • • • • • •
>ise!o del producto# ?aquinaria y herramienta# /laneación del proceso# ?ateriales# $ompra# ?anufactura# $ontrol de la producción# -ervicios de soporte# ?ercadeo# @entas#
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&mbarque# -ervicios al cliente#
&s fundamental que las actividades de la manufactura respondan a las diversas demandas y tendencias% •
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0n producto debe satisfacer totalmente los requisitos de dise!o, especificaciones y normas# 0n producto debe manufacturarse mediante los métodos ms económicos y amiga4 bles con el medio ambiente# La calidad debe integrarse al producto en cada etapa, desde el dise!o hasta el en4 samblado, en ve de confiar sólo en las pruebas de calidad después de haberlo ma4 nufacturado# &n el muy competitivo ambiente actual, los métodos de producción deben ser lo suficientemente fleibles para responder a las cambiantes demandas del mercado, #i los tipo4 Ae productos y a las capacidades de producción, Bi fin de asegurar una entrega oportuna al cliente# Los continuos desarrollos en materiales, métodos de producción e integración a las computadoras, tanto de las actividades tecnológicas como de las administrativas en una organiación manufacturera, deben evaluarse constantemente con miras a su implantación apropiada, oportuna y económica# Las actividades de manufactura deben verse como un gran sistema, cuyas partes se relacionan entre s' en grados variables# &stos sistemas se pueden modelar para es 4 tudiar el efecto de factores como los cambios en las demandas del mercado, el di4 se!o del producto, los materiales y los métodos de producción tanto en la calidad como en el costo de los productos# &l fabricante debe traba*ar con el cliente para obtener una retroalimentación opor4 tuna y conseguir as' una me*ora continua del producto# 0na organiación manufacturera debe luchar constantemente por obtener mayores niveles de productividad, que se define como el uso óptimo de todos sus recursos% materiales, mquinas, energ'a, capital, mano de obra y tecnolog'a# >ebe maimiarse la producción por empleado por hora en todas las fases#
Control Nu+,rico - su Aplicación en los )rocesos de Manufactura
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&l control numrico (C$, por sus siglas en inglés) es un método que controla los movimientos de los componentes de una mquina, insertando instrucciones codificadas en forma de nmeros y letras directamente en el sistema# &ste interpreta en forma automtica esos datos y los convierte en se!ales de salida# 8 su ve, dichas se!ales controlan diversos componentes de las mquinas, como la activación y desactivación de la rotación de husillos, cambio de herramientas, movimiento de la piea de traba*o o de las herramientas a lo largo de trayectorias espec'ficas, y activación y desactivación de fluidos de corte# /ara apreciar la importancia del control numérico de las mquinas, revisemos brevemente la forma en que se efecta un proceso como el maquinado tradicional# >espués de estudiar los planos de traba*o de una parte, el operador establece los parmetros apropiados del proceso (como velocidad y profundidad de corte, avance, fluido de corte y as' sucesivamente), determina la secuencia de las operaciones de maquinado por realiar, su*eta la piea de traba*o en un dispositivo porta pieas y procede con el maquinado de la parte# /or lo general, dependiendo de la forma de la parte y de la precisión dimensional especificada, este método requiere operadores calificados# &l procedimiento de maquinado puede depender del operador espec'fico y, dadas las posibilidades de error humano, tal ve las partes producidas por el mismo operador no sean idénticas# /or lo tanto, la calidad de la parte depende de un operador espec'fico o incluso del mismo operador en cierto d'a de la semana u hora del d'a# >ebido a la necesidad de me*orar la calidad de los productos y reducir los costos de manufactura, dicha variabilidad en el desempe!o, y sus efectos sobre la calidad de los productos, no son ya aceptables# &sta situación puede eliminarse mediante el control numérico de la operación de maquinado# La importancia del control numérico puede ilustrarse con mayor detalle mediante el siguiente e*emplo# -upóngase que se van a taladrar varios orificios en una parte en las posiciones mostradas en la figura 39##
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&n el método manual de maquinado tradicional de esta parte, el operador coloca la broca para barrenar respecto de la piea de traba*o, utiliando puntos de referencia proporcionados mediante cualquiera de los tres métodos mostrados en la figura# >espués procede a taladrar los orificios# /rimero supongamos que se van a taladrar +<< partes, todas eactamente con la misma forma y precisión dimensional# &s obvio que esta operación va a ser tediosa, debido a que el operador tiene que pasar de manera repetida por los mismos movimientos# 8dems, es alta la probabilidad de que, por diversas raones, algunas de las partes maquinadas sean diferentes a otras# 8hora supongamos que durante esta corrida de producción cambia el orden de las partes y +< de ellas requieren orificios en diferentes posiciones# &ntonces el maquinista tiene que posicionar de nuevo la mesa de traba*o; esta operación consume tiempo y est su*eta a errores# >ichas operaciones se pueden realiar con facilidad mediante mquinas de control numérico, que tienen la capacidad de producir partes de manera repetida y con precisión, y de mane*ar partes diferentes simplemente cargando diversos programas de partes# &n las operaciones de control numérico, los datos que se relacionan con todos los aspectos de la operación de maquinado (como legaliaciones de herramientas, velocidades, avances y fluidos de corte) se almacenan en discos duros# $on base en la información de entrada, se pueden activar relevadores y otros dispositivos (controles ca!leados" para obtener la configuración deseada de la mquina# -e realian con facilidad operaciones comple*as (como el torneado de una parte que tiene diversos contornos o el estampado de dados o matrices en una fresadora)# Las mquinas de C$ se utilian mucho en la producción de cantidades peque!as y medianas (por lo general, 7<< partes o menos) de una amplia variedad de partes, tanto en tiendas peque!as como en grandes instalaciones de manufactura# &l siguiente paso en el desarrollo del control numérico se produ*o cuando el equipo de control (montado en la mquina C$) se convirtió en un control por computadora local mediante soft)are. -e desarrollaron dos tipos de sistemas computariados% control nu4 mérico directo y control numérico por computadora# D &n el control numérico directo (>C$, por sus siglas en inglés), se controlan diversas mquinas directamente (paso a paso) mediante una computadora de unidad de procesamiento central# &n este sistema, el operador tiene acceso a la computadora central a través de una terminal computariada# $on el >C$, el estatus de todas las mquinas en una instalación de manufactura se puede monitorear y determinar desde una computadora central# -in embargo, el >C$ tiene una desventa*a crucial% si la computadora se apaga, todas las mquinas se vuelven inoperables# 0na definición ms reciente del >C$ es el control numérico distribuido, en el que una computadora central sirve como sistema de control para varias mquinas $C$ individuales que tienen microcomputadoras incorporadas# &ste sistema proporciona gran memoria e instalaciones computacionales y ofrece fleibilidad, al tiempo que supera la desventa*a del control numérico directo#
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D &l control numérico por computadora ($C$) es un sistema en el que una micro4 computadora de control es parte integral de una mquina #computadora integrada". &l operador de la mquina puede programar las computadoras integradas, modificar los programas en forma directa, prepararlos para diferentes partes y almacenarlos# &n la actualidad, se utilian ampliamente sistemas $C$ debido a la disponibilidad de #a" peque!as computadoras con gran memoria; #!" controladores programables y microprocesadores de ba*o costo, y #c" capacidades de edición de programas# &n la figura 39#9 se muestran los elementos y la operación bsicos de una mquina C$ comn# 8 continuación se describen los elementos funcionales del control numérico y los componentes implicados# D &ntrada de datos% la información numérica se lee y almacena en la memoria de la computadora# D /rocesamiento de datos% los programas son le'dos en la unidad de control de la mquina para su procesamiento# D -alida de datos% esta información se traduce en comandos (por lo general, comandos por pulsos) al servomotor (fig# 39#:)# >espués éste mueve la mesa de traba*o (en la que se monta la piea de traba*o) a posiciones espec'ficas por medio de movimientos lineales o giratorios usando motores paso a paso, tornillos de avance y otros dispositivos similares#
0na mquina C$ se puede controlar mediante dos tipos de circuitos% lao abierto y lao cerrado# &n el sistema de lao abierto (fig# 39#:a), las se!ales se env'an al servomotor
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mediante el controlador, pero en los movimientos y las posiciones finales de la mesa de traba*o no se verifica la precisión# &l sistema de lao cerrado (fig# 39#:b) est equipado con diversos transductores, sensores y contadores que miden de manera precisa la posición de la mesa de traba*o# ?ediante el control de retroalimentación, la posición de dicha mesa se compara con la se!al, y los movimientos de la tabla terminan cuando se alcanan las coordenadas adecuadas#
La medición de posición en las mquinas C$ se realia por medio de métodos indi4 rectos o directos (fig# 39#E)# &n los sistemas de medición indirecta, los codificadores #en* coders" rotatorios o reductores (resolvers" convierten el movimiento rotatorio en movimiento de traslación# -in embargo, la ona muerta (el *uego entre dos dientes de en4 granes de acoplamiento adyacente) puede afectar la precisión de la medición de manera significativa# Los mecanismos de retroalimentación de posición utilian diversos sensores que se basan principalmente en principios magnéticos y fotoeléctricos# &n los sistemas de medición directa, un dispositivo de detección lee una regla graduada en la mesa de la m4 quina o en la corredera para producir un movimiento lineal (fig# 39#Ec)# &ste sistema es el ms preciso debido a que la regla se integra en la mquina y la ona muerta en los me4 canismos no es significativa#
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&n el control numérico eisten dos tipos bsicos de sistemas de control% punto a punto y contorneado# •
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&n un sistema punto a punto (también conocido como sistema de posi+ottamiettto", cada uno de los e*es de la mquina se acciona por separado mediante tornillos de avance y a diferentes velocidades, dependiendo del tipo de operación# La mquina se mueve al principio a mima velocidad para reducir el tiempo no productivo, pero se desacelera cuando la herramienta se aproima a su posición definida numé4 ricamente# /or lo tanto, en una operación como el taladrado de un orificio, posicionamiento y taladrado ocurren en secuencia# >espués de que se taladra el orificio, la herramienta se retira hacia arriba y se mueve con rapide a la siguiente posición, donde la operación se repite# La tra4 yectoria contina, de una posición a otra es importante sólo en un aspecto% debe seleccionarse para minimiar el tiempo de recorrido a fin de tener un me*or rendi4 miento# &l sistema punto a punto se utilia principalmente en las operaciones de taladrado, punonado y fresado# &n un sistema de contorneado (también conocido como sistema de trayectoria con* tinua", tanto el posición a miento como las operaciones se realian a lo largo de tra4 yectorias controladas, pero a diferentes velocidades# >ebido a que la herramienta
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acta conforme avana a lo largo de una trayectoria prescrita, es importante el control preciso y la sincroniación de velocidades y movimientos# /or lo general, el sistema de contorneado se utilia en tornos, fresadoras, rectificadoras, soldadoras y centros de maquinado# &l control numérico tiene las siguientes venta*as sobre los métodos convencionales de control de las mquinas% D -e me*ora la fleibilidad de la operación, as' como la capacidad de producir formas comple*as con buena precisión dimensional, buena respetabilidad, reducción en la pérdida por desperdicios, altas velocidades de producción, productividad y calidad de los productos# D -e reducen los costos del herramental, debido a que no se requieren plantillas ni otros soportes fi*os# D -e facilita el a*uste de las mquinas# D -e pueden realiar ms operaciones con cada configuración y el tiempo requerido para el inicio y maquinado es menor en comparación con los métodos convencionales# D -e pueden elaborar programas con rapide y es posible reutiliarlos en cualquier momento mediante microprocesadores# D &s posible producir prototipos con rapide# D La eperiencia requerida del operador es menor que la de un maquinista calificado y aquél tiene ms tiempo para atender otras tareas en el rea de traba*o#
Fibliograf'a !"#roover$ M" %27&" Fundamentos Me'ico( Mc#ra)*5ill#
de Manufactura Moderna Tercera Edicion.
-chmid, -# G# (2<<:)# anufactura -ecnologia y -ecnologia 'uinta dicion. ?eico% /earson &ducacion#
