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Planificación de operaciones en un sistema de planificación automática de torneado de piezas de revolución

Planificación automática del torneado

Gonzalo Valiño, David Blanco, Braulio Álvarez (Universidad de Oviedo)15/10/2003
Para realizar automáticamente la planificación de operaciones de torneado, es necesario recoger toda la experiencia de los planificadores y recomendaciones de los manuales de mecanizado, e implementarla mediante reglas cualitativas y cuantitativas que permitan al sistema decidir los pasos a realizar, de una forma lógica y optimizada. En el presente artículo se describe la metodología adoptada en un sistema de planificación automática denominado PPSys.

1. Introducción

radicionalmente, la planificación de las operaciones de torneado se ha llevado a cabo a partir de la determinación y descomposición del material inicial en zonas a eliminar (volúmenes de mecanizado) para conseguir la forma de la pieza [1]. Conocidas estas zonas, se realiza la selección de operaciones y herramientas y se establece la secuencia en que se han de llevar a cabo. El orden de las operaciones tiene influencia no sólo sobre los resultados del mecanizado en relación a las especificaciones técnicas esperadas, sino también desde un punto de vista económico [2]. A lo largo de la literatura se pueden encontrar sistemas de planificación en los que se exponen distintos aspectos relacionados con las tareas antes mencionadas, especialmente con la optimización económica. La mayoría de ellos se centran en el mecanizado de piezas cilíndricas y la realización de operaciones de pasada simple. Sin embargo, en la práctica, el torneado requiere la eliminación de material mediante operaciones de desbaste multipasada primero y de acabado después, con la utilización de múltiples herramientas e, incluso, la combinación de más de una para el mecanizado de zonas de difícil acceso.

Teniendo en cuenta estas consideraciones, en este artículo se comenzará suponiendo que ya ha sido realizado el diseño de la pieza y del material de partida, así como han sido determinados la forma de sujeción de la pieza, el número de amarres y las superficies a mecanizar en cada uno de ellos [3]. Se realiza un análisis de las principales operaciones y se proporcionan métodos para determinar las zonas a mecanizar sobre la pieza, las direcciones de movimiento de las herramientas en cada una de ellas, la realización de las operaciones de desbaste y acabado, así como una preselección de las herramientas que pueden ser válidas. Finalmente se establecen las secuencias de operaciones en función de aspectos tecnológicos.

2. Operaciones habituales de torneado

Según el movimiento de avance de la herramienta, las operaciones generales de torneado se clasifican en operaciones de mecanizado axial (cilindrado), de mecanizado radial (refrentado), o de perfilado (copiado). Las dos primeras son más típicas de desbaste mientras que los acabados suelen realizarse mediante perfilado. Éste también se aplica al mecanizado de preformas. Todas ellas pueden ser exteriores o interiores.

Existen otras operaciones de mecanizado interior, tales como el taladrado, escariado y mandrinado. Otras operaciones más específicas son el roscado, ranurado, tronzado y moleteado. En la figura 1 se muestra una clasificación de las principales operaciones de torneado según su aptitud para distintas aplicaciones.

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Figura 1. Clasificación de las principales operaciones de torneado en función de su aptitud para distintas aplicaciones de mecanizado. ( =mejor aptitud; aptitud media; sin símbolo=no apta).

3. Operaciones generales de desbaste

La determinación de las operaciones de desbaste depende fundamentalmente de la forma del material de partida para el mecanizado. El sistema PPSys contempla el torneado de piezas a partir de barra cilíndrica continua, cilindro de dimensiones limitadas, volumen escalonado, y preforma. En los tres primeros casos, normalmente son necesarias operaciones de desbaste y de acabado, mientras que para las preformas sólo se suelen realizar operaciones de acabado. El punto de partida en el análisis de operaciones de desbaste se fundamenta en la determinación de las zonas o volúmenes de mecanizado. Para ello, se suponen conocidas las superficies a mecanizar en cada amarre [3].

3.1. Determinación de los volúmenes de mecanizado

Los volúmenes de mecanizado se obtienen descomponiendo la parte de material comprendido entre las superficies de la pieza y las del material en bruto. El volumen exterior se divide en zonas de mecanizado axial (cilindrado) y zonas de mecanizado radial (refrentado). La frontera entre estas zonas es establecida por algunos autores [4] basándose en criterios económicos. En éstos se consideran distintas posiciones para la frontera, correspondiendo con los límites de las superficies de la pieza, y se calcula el coste de mecanizado total, utilizando en cada zona herramientas de características equivalentes. De todas las combinaciones posibles se elige la más económica. Sin embargo, desde un punto de vista práctico, es difícil aceptar que la herramienta apropiada para un mecanizado axial tenga características tecnológicas similares a la necesaria si el mecanizado es radial, por lo que finalmente las condiciones económicas reales pueden diferir de las supuestas inicialmente utilizando unas herramientas genéricas.
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Figura 2. Volúmenes de mecanizado en cada amarre para una pieza a obtener a partir de material escalonado. a)Volúmenes de taladrado. b)Volúmenes de refrentado. c)Volúmenes exteriores. d)Volúmenes interiores.
Otros autores [5] establecen la separación entre las zonas de mecanizado radial y axial basándose en aspectos geométricos que comparan las proporciones del volumen de mecanizado que se considere. Este es el criterio adoptado en PPSys. Para cada amarre de la pieza [3] descompone ésta en cuatro tipos de volúmenes (Figura 2): • volúmenes de taladrado (cuando sean necesarios), • volúmenes de refrentado, • volúmenes exteriores, comprendidos entre los de refrentado y el límite que separa el mecanizado exterior en cada amarre, y • volúmenes interiores, comprendidos entre los de taladrado, refrentado y el límite que separa el mecanizado interior en cada amarre.
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Figura 3. Dirección del avance de herramienta en los volúmenes de mecanizado en función de su relación Z-X, para cada tipo de material en bruto y para tres tipos de forma final de la pieza.
Para determinar la dirección principal de avance de la herramienta en cada uno de estos volúmenes, se considera la relación entre las dimensiones máximas axial y radial de éstos (figura 3). Se realizará mecanizado axial si

Zmáx >= 0,75. Xmáx y mecanizado radial en caso contrario.

El factor 0,75 da prioridad al mecanizado axial frente al radial, ya que los esfuerzos de corte aparecen mayoritariamente en la dirección axial, produciendo una menor flexión de la pieza y permitiendo mayores profundidades de corte para la herramienta en condiciones de estabilidad. Para las zonas interiores se aplican las mismas reglas que para el exterior. El mecanizado de preformas se realiza siguiendo paralelamente el perfil de la pieza, independientemente de la relación Zmáx / Xmáx.

En la figura 4 se muestran las direcciones de avance de la herramienta tras la aplicación de la regla anterior a la pieza de ejemplo.

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Figura 4. Volúmenes y direcciones de mecanizado en cada uno de los amarres para la pieza del ejemplo.

3.2. Determinación de las operaciones para un volumen de mecanizado

Cuando no es posible eliminar todo el material de un volumen de mecanizado en una única operación, PPSys adopta el siguiente procedimiento (figura 5):

Se mecaniza con una herramienta en dirección al plato de garras (Z-). Si el perfil real obtenido (PRDd) difiere del teórico (PTD), es necesario realizar el siguiente paso. En caso de que ambos perfiles coincidan, se habría conseguido el mecanizado completo del volumen y no sería necesario realizar los siguientes pasos.

Se mecaniza con una herramienta en dirección contraria al palto de garras (Z+). Si el perfil de desbaste obtenido (PRDi) no coincide con el resultado deseado, se realiza el siguiente paso. En caso de coincidencia, el siguiente paso no es necesaio.

Utilizando una herramienta de ranurar en dirección radial (X-), se mecanizan aquellas zonas no eliminadas previamente.

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Figura 5. Caracterización geométrica de los perfiles de mecanizado
Para cada perfil de cada una de las fases anteriores se preseleccionan las herramientas con máxima accesibilidad. Para ello se caracterizan los tramos del perfil teórico a mecanizar (PTD) por medio de un vector ( r ) y un ángulo (a) (figura 5). Por tanto, los ángulos de posición primario y secundario de dichas herramientas deben cumplir las condiciones Kr >= máx{aa} + d y k’r>= máx {ad} + d’

siendo d y d’ ángulos de seguridad para el desahogo de la herramienta (entre 2º y 5º) y a y d los índices de los tramos ascendentes y descendentes, respectivamente, del volumen de mecanizado.

Pueden existir ocasiones en las que no se encuentren herramientas que satisfagan la doble condición expresada anteriormente. En estos casos, se seleccionan aquellas herramientas cuyos ángulos se aproximen más a los valores deseados.

4. Operaciones generales de acabado

Las operaciones generales de acabado permiten alcanzar las especificaciones dimensionales y de rugosidad. Se eliminan las pequeñas capas de material restantes de la fase de desbaste, siguiendo una estrategia de avance mediante perfilado.

En las zonas exteriores, el procedimiento es parecido al llevado a cabo para el desbaste. Se comparan los perfiles reales con los teóricos al utilizar primero herramientas de avance en Z-, después en Z+ y, finalmente en X-. Los ángulos de posición de las herramientas coinciden con los calculados en el desbaste debido a que los condicionantes geométricos son los mismos. En fases posteriores para la selección de las herramientas, se determinará si se utilizan las mismas que para el desbaste ya que, al transcurriur en condiciones diferentes, se requerirán distintos sistemas de sujeción, tamaños, formas y calidades de plaquitas.

En general, en las zonas interiores se realiza el acabado con herramientas de mandrinar, avanzando desde el exterior hacia el interior de la pieza (Z-) y, si quedan zonas sin mecanizar, se utilizan herramientas cuyo avance es en tracción (Z+). Si es necesario, el mecanizado se complementa con herramientas de ranurar.

Las zonas interiores con diámetros menores de 20 ó 25 mm requieren operaciones de escariado siempre que no sean accesibles mediante herramientas normales de mandrinar, que así lo requieran las especificaciones de tolerancia y rugosidad (Rt <= 15 ím) [6] y que la zona a escariar sea accesible (zona de menor diámetro interior de las comprendidas entre el extremo de la pieza y la zona de mecanizado).

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Figura 6

5. Operaciones de roscado

Aunque existen múltiples procedimientos de torneado de roscas (figura 6) [7], es habitual mecanizar roscas a derechas o a izquierdas con herramientas de la misma mano, debido a que así el portaplaquitas proporciona una mejor estabilidad a la plaquita.

El torneado de roscas se considera una operación multipasada, pudiéndose realizar la penetración de la herramienta en cada pasada según distintas técnicas (figura 7). En general, se busca una buena evacuación de la viruta, con un buen acabado de los flancos de la rosca y con una vida de herramienta adecuada. Todos estos factores son función del material a mecanizar, del tamaño de la rosca y de la geometría del corte. En general, en control numérico se realiza la penetración en flanco modificado, que proporciona un buen comportamiento según los criterios anteriores.

En el torneado de roscas, los parámetros velocidad de corte, profundidad y avance aparecen relacionados entre sí mediante ciertos factores limitadores, tanto geométricos como tecnológicos. Así, por ejemplo, la velocidad de corte suele ser un 25 por ciento menor que en el cilindrado debido a que la forma de la plaquita dificulta la evacuación de calor y esto podría originar una deformación en el filo. En cuanto al avance (mm/rev), debe coincidir con el paso de la rosca (mm). En relación a la profundidad de corte, para cada pasada interesa una distribución de tensiones constante en los filos. Teniendo en cuenta que en cada pasada aumenta la longitud de contacto entre material y filo, para mantener constante la tensión es necesario reducir el espesor de viruta y, por tanto, la profundidad de corte.

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Figura 7
La determinación tanto del número de pasadas como de la profundidad en cada una de ellas es un aspecto crucial que, en la mayoría de los casos, se determina de forma experimental y son los fabricantes de herramienta quienes proporcionan unos valores adecuados. Cuando no se dispone de esta información, se utiliza la recomendación de mantener constante la tensión en el filo de corte. Para ello, se puede calcular la profundidad de cada pasada (di) mediante la expresión:

siendo d la profundidad total de la rosca, np el número de pasadas (estos dos datos son proporcionados normalmente por el fabricante de la herramienta) e i el número de la pasada que se va a mecanizar (i = 1, 2, ..., np). En la Fig. 8 se muestran los valores de las profundidades de corte en cada pasada para una rosca métrica de paso p = 1,5 y np = 6 pasadas, obtenidas a partir de la expresión anterior, y se comparan con las proporcionadas por el fabricante Sandvik Coromant.

Cuando la profundidad total de la rosca no es un dato conocido, se puede calcular mediante la expresión:

d=C.p,

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siendo p el paso de la rosca y C una constante cuyos valores vienen expresados en la Tabla 1 para distintos tipos de rosca.

En cuanto a la velocidad de rotación del husillo, ésta se mantiene constante en cada una de las profundidades para que la entrada de la rosca coincida en todas ellas. Como contrapartida, al mantener constante el régimen de giro del husillo, la velocidad de corte se irá reduciendo a medida que la herramienta profundiza. Sin embargo, este efecto no es muy acusado, dado que la diferencia entre profundidades es muy pequeña y, por tanto, la variación de la velocidad de corte es poco significativa.

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Figura 8

6. Operaciones de ranurado y tronzado

as operaciones de ranurado se utilizan para el mecanizado de ranuras propiamente dichas, o para la eliminación de material en zonas inaccesibles a otros tipos de herramientas de cilindrar o perfilar.

En el desbaste de ranuras, el avance de la herramienta se realiza en dirección radial. Cuando la ranura es más ancha que la herramienta, se repite el movimiento radial de la misma en distintas posiciones hasta cubrir todo el ancho. Si la forma de la ranura es simétrica, el mecanizado se realiza comenzando por el centro y reposicionándose alternativamente a la izquierda y a la derecha. Cuando la ranura es asimétrica, se comienza a mecanizar por la zona menos profunda (figura 9a), de manera que se facilita la evacuación de la viruta.

En el acabado de ranuras, la herramienta se desplaza paralela al perfil, procurando que los movimientos radiales los realice entrando hacia el centro de la pieza (X-) para garantizar un mejor control de viruta que en el caso de que se moviese en sentido saliente (Fig. 9a).

La operación de tronzado se puede considerar como un caso especial del ranurado, en el que la herramienta mecaniza hasta el centro de la pieza (figura 9b) o hasta la zona hueca interior, en el caso de existir ésta.

Si el extremo a tronzar tiene un chaflán o un redondeo, éste se realiza con la herramienta de tronzar mediante el procedimiento de la figura 9b.

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Figura 9a y 9b

7. Secuenciación de las operaciones

Se deben mecanizar en primer lugar las zonas de referencia de la pieza, (caras frontales y agujeros de centrado). Las zonas interiores se deben taladrar primero al mayor diámetro posible para poder mandrinarlas después a una velocidad de corte adecuada.

Para cada amarre, PPSys establece el siguiente orden de operaciones:

  1. Operación de refrentado en desbaste y acabado y punto de centrado si se requiere.
  2. Taladrado al diámetro máximo posible, si la pieza precisa mecanizado interior.
  3. Desbaste de volúmenes exteriores e interiores.
  4. Acabado de las zonas exteriores y desbaste y acabado de ranuras exteriores.
  5. Acabado de las zonas interiores y desbaste y acabado de ranuras interiores.
  6. Mecanizado en desbaste y acabado de roscas exteriores e interiores.
  7. Realización de moleteados.

Es posible que durante la etapa posterior de optimización económica se realicen algunos ajustes relacionados, por ejemplo, con la minimización de los cambios de herramienta.

8. Conclusiones

En el presente artículo se comentan algunas de las reglas comunes en la selección y secuenciación de operaciones de torneado de piezas de revolución y se propone una metodología para su implementación práctica en un sistema CAPP en desarrollo, que exige la implementación de reglas de decisión cualitativas y cuantitativas. Para ello, se han teniendo en cuenta aspectos tanto geométricos como tecnológicos, dejando los condicionantes económicos para fases de optimización posteriores.

9. Referencias

[1] C-J. Lin, H-P Wang. Optimal operation planning and sequencing: minimization of tool changeovers. Int. J. Prod. Res., 31 (2) (1993) 311-324.
[2] S.V.B Reddy, M.S. Shunmugham, T.T. Narendran. Operation sequencing in CAPP using genetic algorithms. Int. J. Prod. Res., 37 (5) (1999) 1063-1074.
[3] J.C. Rico, G. Valiño, S. Mateos, E. Cuesta, C.M. Suárez. Automatic selection of clamping surfaces in the turning process for rotational parts. IMechE, 214B (2000) 693-708.
[4] S. Hinduja, H. Huang. OP-PLAN: an automated operation planning system for turned components. IMechE, 203B (1989) 145-158.
[5] P.K. Jain, N.K. Metha, P.C. Pabdey. Automatic cut planning in an operative process planning system. IMechE, 212B (1998) 129-140.
[6] Kaczmarek, J. Principles of machining by cutting, abrasión and erosion. Vol. I.. Ed. Peter Peregrinus Limited, 1976.
[7] Asensio París, I. Torneado y fresado por control numérico: Manual para operarios y programadores. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Zaragoza, 1996.

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