Universidad de Santiago de Chile

Departamento de Ingeniería Mecánica

TÓPICOS I – PROCESOSALFIL

ALUMNO: MATÍAS TORRES MUÑOZPROFESOR: SR. PEDRO CORRAL

ASIGNATURA: TOPICOS I - PROCESOSFECHA: 11 DICIEMBRE 2014

CONTENIDO

Tópicos I – Procesos Alfil.......................................................................................................1

Resumen............................................................................................................................... 3

Objetivos............................................................................................................................... 3

Objetivo General...............................................................................................................3

Objetivos Específicos.........................................................................................................3

Equipos e instrumentos empleados......................................................................................4

Equipo empleado..............................................................................................................4

Instrumentos empleados..................................................................................................4

Descripción de la pieza a fabricar..........................................................................................5

Dimensiones de la pieza a fabricar........................................................................................6

Cotas transversales........................................................................................................... 6

Cotas longitudinales..........................................................................................................7

Dimensiones de los radios.................................................................................................7

Selección de herramientas....................................................................................................8

Esquema de montaje..........................................................................................................10

Parametros de operación....................................................................................................11

Diagrama de trayectorias....................................................................................................11

Programación CNC..............................................................................................................15

Tiempo de mecanizado.......................................................................................................19

Costos de fabricación..........................................................................................................21

Conclusiones.......................................................................................................................22

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RESUMEN

En el presente informe se mostrará el estudio de planificación para la fabricación de un alfil correspondiente a una pieza de ajedrez, en un torno de control numérico (CNC), en el cual se debe realizar una producción en serie según los requisitos solicitados para este proyecto. En el desarrollo del trabajo se podrá apreciar los pasos básicos por los que se debe pasar para poder realizar el proyecto. Finalmente, en el desglose del trabajo están detallados los análisis de costos, tolerancias de la pieza y otros factores planteados para dar paso a las conclusiones del trabajo desarrollado.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL

Realizar y aplicar un proyecto de fabricación de una pieza en un torno de control numérico computarizado, evaluando y seleccionando las distintas variables que permitirán la satisfactoria realización del proyecto.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Aplicar conocimientos y teoría de corte de material de una pieza metálica. Desarrollar la planificación necesaria para la fabricación de la pieza respectiva del

trabajo: Planos respectivos, selección adecuada de herramientas de corte, etc. Elaborar y mostrar Código G respectivo de la fabricación de la pieza a realizar. Aplicación de estudios complementarios necesarios de costo, tiempos a nivel de

grandes producciones de la pieza de trabajo. Realizar análisis de los trabajos realizados en este informe enfocado

principalmente en las labores y estudios realizados.

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EQUIPOS E INSTRUMENTOS EMPLEADOS

EQUIPO EMPLEADO

Torno CNCEl equipo empleado para la fabricación de la pieza pedida es un torno CNC, esto de manera teórica ya que la pieza en sí no fue fabricada.

INSTRUMENTOS EMPLEADOS

Probetas de Latón

PPara la fabricación de la pieza de ajedrez correspondiente a un Alfil, se utiliza una probeta de latón maciza cilíndrica.

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Pie de metroCon el uso de un pie de metro digital, se mide el diámetro inicial de la probeta a mecanizar, así como el modelo entregado para el registro de todas las cotas necesarias para la fabricación de la pieza de ajedrez.

DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA A FABRICAR

Con el fin de realizar un plano de fabricación que ilustre la pieza a modelar se utiliza el software computacional Solid Works, el cual permite visualizar la pieza a trabajar de manera tridimensional, para luego así poder obtener un correcto plano de fabricación del Alfil.

La pieza a mecanizar corresponde a un Alfil correspondiente a una pieza de ajedrez, la cual se genera únicamente por un cuerpo por revolución, lo cual facilita la fabricación de la misma, ya que al ser un cuerpo revolucionado no requiere de ningún tipo de post-proceso luego de ser mecanizada en el torno CNC.

A continuación se presenta el modelo de la pieza obtenido a partir del software computacional Solid Works:

FIGURA 1 ALFIL A MECANIZAR

La pieza será fabricada a partir de un trozo de latón de ¾[in] (19,05[mm]) de diámetro.

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DIMENSIONES DE LA PIEZA A FABRICAR

Las dimensiones de la pieza a fabricar se muestran a continuación en donde se dividen las cotas en cotas transversales, cotas longitudinales y radios; esto con el fin de entregar un plano más legible a la hora de visualizar las cotas de la pieza.

COTAS TRANSVERSALES

Las cotas transversales corresponden a los diámetros que posee la pieza, es decir, corresponden a las cotas con respecto al eje X en el proceso de torneado.

FIGURA 2 COTAS TRANSVERSALES DE LA PIEZA

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COTAS LONGITUDINALES

Las cotas longitudinales corresponden a las dimensiones con respecto al eje Z en el proceso de torneado

FIGURA 3 COTAS LONGITUDIANELS DE LA PIEZA

DIMENSIONES DE LOS RADIOS

Las cotas correspondientes a los radios presentes en la pieza permite realizar los redondeos correspondientes en el mecanizado de la pieza.

FIGURA 4 COTAS DE LOS RADIOS DE LA PIEZA

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SELECCIÓN DE HERRAMIENTAS

La selección de herramientas para realizar un correcto mecanizado en un torno CNC está estrictamente relacionado con la geometría de la pieza a mecanizar. En este caso se utilizan dos herramientas de ranurar; una para el refrentado y otra para el ranurado del cuerpo del alfil y el posterior tronzado final de la pieza. La principal diferencia entre ambas herramientas corresponde a la disposición que poseen en el portaherramientas.

En cuanto al cilindrado se utilizan tres herramientas, la primera para el cilindrado exterior de la pieza, posteriormente se utiliza una herramienta de filo neutro en donde el ángulo de corte es mayor a 90° para cilindrado de detalle y finalmente una herramienta para el cilindrado de detalle con un ángulo de corte menor que 90°.

Herramienta T0101: Refrentado.

Herramienta T0202: Cilindrado exterior.

Herramienta T0303: Cilindrado de detalle (Perfilado).

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Herramienta T0404: Cilindrado de detalle.

Herramienta T0505: Ranurado y tronzado.

La herramienta poee un espesor de filo de 3[mm], esto implica que el ranurado a realizar posee un espesor de 3[mm]. A fines de programación se considerará que la punta del filo de esta herramienta se localiza en la punta más alejada del husillo.

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ESQUEMA DE MONTAJE

A continuación se muestra esquemáticamente la disposición de las herramientas a utilizar en la torre portaherramientas.

Lugar de la Torre Herramienta Descripción

T0101 Refrentado

T0202 Cilindrado exterior.

T0303 Cilindrado de detalle.

T0404 Cilindrado de detalle.

T0505 Ranurado y tronzado.

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PARAMETROS DE OPERACIÓN

Variables de operaciónSe considera para efectos del trabajo una velocidad de avance de 0,1[mm/rev], teniendo revoluviones constantes de 1800[RPM]

Material de trabajoEl material en base al cual se construye la pieza es una barra cilíndrica de Latón de 3/4[in] lo que equivale a 19,05[mm] de diámetro.

Eje de trabajo WEl punto de referencia (W) para realizar el mecanizado está ubicado justo en medio de la pieza (X=0). A una distancia alejada de las abrazaderas que afirman el material para evitar colisiones entre la herramienta y el husillo (Z=0), a continuación se presenta un esquema simplificado de lo recién mencionado:

DIAGRAMA DE TRAYECTORIAS

Con el fin de mejorar la visualización del diagrama de la trayectoria para la construcción de la pieza se utiliza el software computacional WinUnisoft, el cual permite realizar simulaciones de mecanizados en CNC. Dicho programa permite ingresar el programa de control numérico que se utiliza para el mecanizado de la pieza, como así también el uso de las herramientas logrando visualizar el mecanizado de la pieza.

A continuación se muestra el diagrama de trayectorias que realiza cada herramienta en el proceso de mecanizado del alfil, cada imagen se divide en dos, la del lado derecho corresponde a una visualización en 3D del mecanizado de la pieza, mientras que las imagen de la izquierda muestra el diagrama de trayectorias que sigue la punta de la herramienta.

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FIGURA 5 POSICIONAMIENTO DE LA HERRAMIENTA

FIGURA 6 REFRENTADO

FIGURA 7 CILINDRADO EXTERIOR

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FIGURA 8 RANURADO

FIGURA 9 CILINDRADO DE DETALLE PARA RADIOS COMPLEJOS

FIGURA 10 CILINDRADO DE DETALLE PARA EL CUERPO DEL ALFIL

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FIGURA 11 TRONZADO FINAL

FIGURA 12 PIEZA FINAL

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PROGRAMACIÓN CNC

A continuación se presenta la programación realizada para el torno CNC, el proceso utiliza 5 herramientas para lograr el mecanizado de la pieza.

Comando Descripción

O2002 Nombre del programa

G28 U0. W0. ;Llamada de la torre a home con las compensaciones correspondientes de la torre

G00 X100. Z150. ;Cambio de herramienta al de Refrentar

T0101 ;

X5. Z36. ; Acercamiento para posicionar el material en bruto

M00 ;Parada de la máquina para manipular el material

X19.5 Z38. ; Posicionamiento para comenzar el mecanizadoZ35.57 ;

G96 S80 G99 ;Variables de operación

G50 S1800 M03 ;

G01 X0. F0.1 ; Refrentado

G00 X100. Z150. ;Cambio de herramienta a la de cilindrado

T0202 ;

X4. Z36. ; Proceso de cilindrado para emparejar el material en bruto

G01 Z32.967 ;

X11.769 ;

Z19. ;

X17.5 ;

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Z-5. ;

G00 X100. Z150. ;Cambio de herramienta a la de ranurar

T0505 ;

X19. Z22. ;

Proceso de ranurado a través de múltiples etapas

G01 X8.5 ;

G00 X19. ;

Z17.5 ;

G01 X6.5 ;

G00 X19. ;

Z15 ;

G01 X6.5 ;

G00 X19. ;

Z12.5 ;

G01 X6.5 ;

G00 X19. ;Cambio de herramienta a la de filo neutro para cilindrado de detalle con el ángulo de corte mayor a 90°

G00 X100. Z150. ;

T0303 ;

Z40. X0. ; Cilindrado de detalle en donde se realizan los principales radios y conos en la cabeza del alfil

G01 Z35.57 ;

G03 Z32.967 X2.031 R1.5 ;

G01 X9.310 Z26.040 ;

G03 X9.024 Z24.020 R2. ;

G01 X6.823 Z22.240 ;

G02 X6.5 Z21.704 R1. ;

G03 Z21. R0.352 ;

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G00 X11. Z21. ;

G01 Z19. ;

G03 Z17.5 R0.75 ;

G00 X19. ;

Z21. ;

G01 X6.5 ;

G02 Z20. R0.5 ;

G00 X19. ;Cambio de herramienta a una de cilindrado de detalle con el ángulo de corte menor a 90°

X100. Z150. ;

T0404 ;

X19. Z20. ; Cilindrado de detalle en donde se realiza el cuerpo del alfil

G01 X6.5 ;

X7.947 Z19.638 ;

G03 X8.5 Z19.191 R0.5 ;

G01 Z19. ;

X19. ;

G00 X19. Z10. ;

G01 X6.5 ;

Z9.5 ;

X10.5 Z7.5 ;

Z6.5 ;

X14.719 Z5.094 ;

G03 X16.5 Z3.430 R2. ;

G01 Z3. ;

X16.7 ;

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G03 X17.5 Z2.6 R0.4 ;

G01 Z0. ;

G00 X19. ;

Cambio de herramienta a la de tronzarX100. Z150. ;

T0505 ;

X19. Z0. ;

Tronzado final en donde cae la piezaG01 X0. ;

G00 X20. ;

X100. Z150. ;

M30 ; Fin del programa y posicionamiento en inicio

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TIEMPO DE MECANIZADO

Para el tiempo de mecanizado se debe tomar en cuenta el tiempo destinado a realizar la programación CNC, este tiempo corresponde a las horas del programador. Por otro lado el segundo componente referente al tiempo de mecanizado es el que se tarda en mecanizar la pieza en el torno CNC.

El tiempo para el programador se obtiene de la siguiente forma:

Tiempo por línea de programa 5[min/línea]Cantidad de líneas del programa 76 líneas

Luego, para obtener el tiempo total que se requiere de programación; se realiza la multiplicación entre las dos variables anteriores.

Se obtiene el siguiente tiempo de programación

Tiempo de realización de programa 380[min]

El tiempo de realización del programa es una variable independiente del volumen de producción de las piezas a mecanizar.

Para la obtención del tiempo de mecanizado es necesario realizar los siguientes supuestos:

Tiempo de cambio de herramienta 4[s]

Tiempo en posicionamiento de material 5[s]

Para obtener el tiempo en que la herramienta está actuando sobre la pieza se toman en cuenta las funciones de interpolación lineal “G01” y circular “G02” y “G03”, esto es, la distancia que recorre la herramienta al trazar las trayectorias de dichas funciones.

El avance por minuto para toda la operación está dado por la siguiente expresión:

F (mmmin )=F (mmrev ) ∙ veloc idad derotación( revmin )Avance por revolución 0,1[mm/rev]

Velocidad de rotación 1800[rev/min]

Luego el avance por minuto obtenido es el que se muestra a continuación:

Avance por minuto 1800[mm/min]

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A partir de la longitud recorrida por la herramienta para las interpolaciones y el avance por minuto; es posible obtener el tiempo en realizar las trayectorias con la siguiente expresión:

Tiempo interpolacipon (min )= Longitud de interpolaciones (mm)Avance por minuto (mm /min)

Avance por minuto 180[mm/min]

Longitud de interpolaciones 158[mm]

El tiempo de interpolación calculado es el siguiente:

Tiempo de interpolaciones 0,8778[min]

Tiempo de interpolaciones 52,667[seg]

Finalmente, para calcular el tiempo total por pieza; al tiempo de interpolación se agrega el tiempo de posicionamiento de material y el tiempo de cambio de herramienta que se realiza 5 veces.

Tiempo total ( s )=5 ∙Tpo cambiohmta ( s)+Tpo Posic . dematerial ( s )+Tpo interpolac (s )

En el siguiente cuadro se presenta el resumen de tiempos calculados:

Tiempo de cambio de herramienta (x5) 20[seg]

Tiempo en posicionamiento del material 5[seg]

Tiempo de interpolaciones 53,67[seg]

Tiempo total por pieza 77,67[seg]

Luego como se requieren 200.00 piezas por mes, se obtienen las horas necesarias de mecanizado para la fabricación de la producción requerida, a partir de la siguiente formula:

Tiempo total de p roducciónmensual( hrsmes )=Tiempo total por piezas (s )∗Producciónmensal (piezas /mes )3600

Finalmente se obtiene el tiempo total de producción:

Tiempo total de producción 4315[hrs/mes]

COSTOS DE FABRICACIÓN

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A partir de los tiempos de mecanizado anteriormente calculados, se obtienen los costos de fabricación al contar con los siguientes datos:

Costo=Tiempo (hora )∗Costohora

En donde el costo total es la suma de los costos por concepto de mecanizado y el de programación.

En el siguiente cuadro se muestra el cálculo de costos de mecanizado y de programación para un volumen de producción de 200.000 piezas/mes.

Tiempo de realización del programa 6.33[hrs]Tiempo total de producción 4315[hrs/mes]

Costo hora hombre máquina $23.000Costo de horas de programados $175.000

Costo de mecanizado $99.245.000Costo de programación $1.107.750

Costo total al mes $100.352.750Costo total por pieza $501,76

Por lo tanto para el primer mes, el costo de producción para las 200.000 piezas mensuales asciende a los $100.352.750, mientras que para los siguientes meses el costo de programación no debe ser considerado debido a que el programa ya se encuentra creado. En base a esto el costo de producción por pieza para los siguientes meses es de $496,23 pesos.

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CONCLUSIONES

Hoy en día el uso me máquinas de control numérico es parte fundamental de desarrollo de piezas mediante tornos CNC, la industria del mecanizado debe procurar un uso eficiente de dichas máquinas en conjunto con el diseño asistido por computadora, como lo es el torno CNC y el software Solid Works, es posible lograr grandes niveles de producción optimizando tiempos de mecanizado y costos asociados a la fabricación de piezas. Al automatizas los procesos e integrar de forma óptima las herramientas computacionales, se disminuyen los tiempos de operación de mecanizado, lo cual radica en un beneficio económico mayor, si bien, la inversión es mayor en comparación a los tornos que operan en forma convencional, estos últimos requieren también de un operario con grandes cualidades a la hora de mecanizar piezas. Una de las ventajas de integrar ésta tecnología, es que se hace necesario capacitar al personal o en su defecto contratar externamente a operarios que realicen la programación de la pieza a mecanizar, lo que incrementa los costos iniciales, pero este costo solo se realiza en un comienzo ya que el CNC sigue utilizando el mismo programa para mecanizar las piezas, por ende el retorno esperado es mucho mayor y se obtiene de manera más rápida. Esto es una cualidad bastante importante ya que hoy en día la demanda y producción de piezas por mecanizado es bastante alta en un mercado muy competitivo.

Otro aspecto importante, es que el uso de máquinas CNC, además de disminuir los tiempos de fabricación, se puede operar de forma que las herramientas sufran un desgaste menor al que sufrirían en un mecanizado convencional. Así, cabe recalcar que las máquinas herramienta de control numérico configuran una tecnología de fabricación que junto a la microelectrónica, la automática y la informática industrial ha experimentado un desarrollo acelerado y una plena incorporación a los procesos productivos, desplazando progresivamente a las maquinas convencionales, su capacidad de trabajo automático y de integración de los distintos equipos entre sí y con los sistemas de control, planificación y gestión de formación, hacen del control numérico (CN) la base de apoyo a unas tecnologías de fabricación, permitiendo lograr geometrías complejas, como la realizada en éste informe, sin la necesidad de contratar a un operario altamente capacitado y hábil en el torneado convencional. De modo que, se pueden lograr piezas con tolerancias que el humano no puede manejar manualmente y produciendo grandes volúmenes de piezas.

En cuanto a la programación, se debe tener un conocimiento no solo de las trayectorias que debe seguir la herramienta, sino de la mecánica de los materiales a mecanizar, de la resistencia de la herramienta a utilizar y que esta sea usada para operación que fue diseñada. Luego al programar adecuados parámetros como de avance, número de revoluciones, profundidad de corte; se puede obtener lo mencionado anteriormente.

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Enfocando en el presente trabajo se logró mecanizar la pieza asignada de forma exitosa, esto es posible de visualizar gracias al software computacional WinUnisoft el cual permite visualizar la programación realizada para el mecanizado de la pieza.

Si bien la pieza asignada posee un desperfecto en la punta de la misma, para objeto del presente trabajo se utilizaron las dimensiones obtenidas mediante el pie de metro y se añadió en la punta de la pieza (zona que presenta el desperfecto), la geometría que todo alfil posee, esto ya que el trabajo considera evaluar los tiempos de producción de la pieza, por ende de no considerar esta zona los tiempos de producción disminuirían provocando una disminución en los costos que no reflejarían realmente el costo de producir 200.000 piezas en un mes.

Finalmente se puede mencionar que los objetivos del presente trabajo fueron cumplidos a cabalidad, dejando en evidencia las ventajas que poseen las máquinas de control numérico CNC en la fabricación de piezas para altos volúmenes de producción. Se logró realizar un código capaz de obtener una pieza con las dimensiones y características requeridas, lo cual permitió realizar un análisis económico de la producción requerida para este trabajo.

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