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  2. Ordenar las operaciones de mecanizado   (01/09/2003)

Secuenciación de operaciones de mecanizado basada en relaciones de precedencia

Ordenar las operaciones de mecanizado

La secuenciación de las operaciones de mecanizado es un punto clave en la planificación de procesos. La obtención de unas relaciones de precedencia entre operaciones, la aplicación de las cuales permita obtener un plan de proceso óptimo, tiene un gran interés desde el punto de vista del planificador de procesos, pues le facilita en gran manera la tarea de diseñar el plan de operaciones de piezas que requieran un gran número de operaciones distintas.
Marta Albertí Ibarz, Inés Ferrer Real, MªLuisa García-Romeu de Luna
(Universitat de Girona)
Uno de los puntos clave en la planificación de procesos consiste en determinar el orden óptimo de las distintas operaciones de mecanizado que hay que llevar a cabo para la fabricación de una determinada pieza [1].

Los sistemas CAPP (Computer Aided Process Planning) han sido ampliamente estudiados, pero en todos los casos el principal problema encontrado es el de la secuenciación de las operaciones. Si se considera que las operaciones sobre una determinada pieza pueden hacerse en cualquier orden, las posibles rutas a seguir pueden encontrarse rápidamente mediante un sencillo cálculo de combinatoria. Sin embargo, cuando el número de operaciones a realizar sobre la pieza es elevado, la cantidad de posibles soluciones, es decir, de secuencias de operaciones, es tan grande que es prácticamente inabordable desde el punto de vista de cálculo [1-3].

Para simplificar este problema y facilitar el diseño de la secuencia de operaciones a realizar, sería conveniente establecer algunas relaciones de precedencia entre operaciones (del tipo la operación A es anterior a la operación B), de manera que, dada una pieza a fabricar, y aplicando dichas relaciones, se consiguiera obtener la secuencia óptima de las operaciones de mecanizado que hay que realizar.

Aunque como se ha dicho anteriormente los sistemas CAPP se han estudiado en profundidad, actualmente no se conocen estudios que hayan profundizado suficientemente en estas relaciones, y es evidente que la elaboración de un listado de precedencias que contenga todas las posibles operaciones en todas las máquinas-herramienta existentes es un problema difícil de abordar. Por este motivo, se centra el problema en las operaciones propias del torno, la fresadora, la taladradora y la rectificadora, por ser estas máquinas-herramienta las más comunes en la mayoría de talleres de mecanizado.

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Figura 1. Determinación de los volúmenes de mecanizado en piezas de diferente tipología.
El procedimiento seguido es el siguiente: fijando la atención en una pieza como la que se muestra en la figura 2, para la fabricación de la cual hay que hacer dos operaciones (fresado de una de las caras del prisma y taladrado del agujero interior), se puede ver que para fabricar la pieza hace falta arrancar el material correspondiente a dos volúmenes (el volumen V1 corresponde al fresado y el volumen V2 al taladrado) y a la intersección que se produce entre ellos

Considerando que el tiempo que se tarda en mecanizar V1 es t1, el tiempo que se tarda en mecanizar V2 es t2 y el tiempo que se tarda en mecanizar V1-2 es t1-2, y teniendo en cuenta la información de la pieza, únicamente hay dos posibles secuencias de operaciones:

  • Secuencia 1. Mecanizar primero V1 y después V2, con lo cual al mecanizar V1 se va a arrancar también el material correspondiente a V1-2. El tiempo total de corte (tt) será:
tt= t1+t1-2+t2.
  • Secuencia 2. Mecanizar primero V2 y después V1. En tal caso, V1-2 se arrancará junto con V2. La velocidad de avance de la herramienta en el mecanizado de V1 será constante, aunque en la zona central de la pieza estará trabajando en vacío, sin arrancar material. Por lo tanto, el tiempo total de corte (tt) será:
tt= t2+t1-2+t1+t1-2

Estudiando ambas posibilidades se puede observar que en el primer caso se consigue un ahorro de tiempo de mecanizado de t1-2 unidades de tiempo respecto al segundo caso.

Analizando un gran número de piezas de características diversas, para la fabricación de las cuales es necesario hacer el mecanizado de una superficie y una operación de taladrado sobre la misma, se puede llegar a la conclusión de que en todos los casos estudiados se consigue un ahorro de tiempo de fabricación si se mecaniza primero la superficie y posteriormente se hace el taladrado. El mismo análisis se puede aplicar, por ejemplo, a las operaciones de ranurado, perfilado y escariado. En consecuencia, se obtiene una primera relación de precedencia.

Otro tipo de relación que puede establecerse proviene del hecho que, tecnológicamente, para la realización de algunas operaciones hace falta haber realizado otras operaciones previamente. Es el caso, por ejemplo, del roscado interior, para la realización del cual debe existir un taladro, y del resto de operaciones de acabado de taladros, como por ejemplo el avellanado, el escariado el abocardado, el penetrado, y otras. En dichos casos, es evidente que estas operaciones deben hacerse siempre después de la operación que permita hacer el taladro (taladrado, torneado interior, etc.).

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Figura 2. Análisis de los volúmenes de mecanizado.
Cuando el número de operaciones a realizar sobre la pieza es elevado, la cantidad de posibles soluciones, es decir, de secuencias de operaciones, es tan grande que es prácticamente inabordable desde el punto de vista de cálculo

Este último caso guarda una gran similitud con el fresado helicoidal. Cuando hay que mecanizar una pieza mediante esta operación, pero se necesita un cilindro sobre el cual llevarla a cabo, obviamente el cilindrado debe hacerse antes que el fresado helicoidal.

La aplicación de estas relaciones permite ordenar las operaciones en cuatro grupos, de manera que las operaciones del Grupo 1 (G1) deben realizarse siempre antes que las del Grupo 2 (G2), y así sucesivamente

Hay también otras operaciones que requieren un agujero previo que les sirva de guía, como por ejemplo el recortado.

Finalmente, cabe mencionar que el rectificado, por definición, es una operación que se realiza en la última etapa de fabricación de la pieza, para ajustar las tolerancias, y eliminar las rebabas y las marcas producidas por las herramientas y los sistemas de fijación [4].

Resultados

A partir de análisis geométricos de las distintas operaciones de mecanizado, similares al que se detalla en el apartado anterior, y aplicándolos a un gran número de piezas de características distintas, se establecen las siguientes relaciones:

  1. Las operaciones que consisten en rebajar una superficie deben realizarse antes que los taladros sobre la misma.
  2. Las operaciones que consisten en hacer un mecanizado "de detalle" sobre una superficie (por ejemplo un ranurado, un perfilado o un taladrado) deben llevarse a cabo después del rebaje de la superficie.
  3. Las operaciones de acabado de un taladro (por ejemplo el escariado, el roscado o el avellanado) deben hacerse después de la operación que permita hacer el taladro (taladrado, torneado interior, etc.). Así mismo, las operaciones que necesiten, para su ejecución, un agujero que les sirva de guía, deben realizarse después de la operación que sirva para hacer el agujero.
  4. Finalmente, el rectificado debe hacerse después del resto de operaciones sobre una determinada pieza.
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Tabla 1. Operaciones pertenecientes a los Grupos de Precedencia.
La aplicación de estas relaciones permite ordenar las operaciones en cuatro grupos, de manera que las operaciones del Grupo 1 (G1) deben realizarse siempre antes que las del Grupo 2 (G2), y así sucesivamente.

Aplicando esta metodología, el número de secuencias de operaciones posibles se reduce sensiblemente, y de esta forma se puede obtener la hoja de ruta óptima disminuyendo la cantidad de cálculos necesarios, puesto que sólo hace falta calcular las posibles combinaciones que se producen entre operaciones pertenecientes un mismo grupo. La Tabla 1 muestra estos grupos de precedencia.

Conclusiones

Una vez comprobada la aplicación de estos grupos de precedencias en piezas de distintas características, se puede observar que en todos los casos estudiados se originan planes de proceso de tiempo total de fabricación mínimo.

Así pues, estas relaciones son muy útiles en el ámbito en que se han aplicado, y pueden simplificar el proceso de cálculo de un sistema CAPP, al reducir el número de posibles combinaciones de secuencias de operaciones.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que no se han considerado los tiempos de cambio de herramienta ni los tiempos improductivos. Este podría ser el siguiente eslabón en el desarrollo de este estudio.

Referencias bibliográficas

[1] HALEVI, G. WEILL, R.D., Principles of Process Planning. A logical approach. Ed. Chapman & Hall, London, (1995).
[2] ALTING L., ZHANG H., International Journal of Production Research, Computer Aided Process Planning: the state-of-the art survey, 4 (27) (1989) 553.
[3] WEILL, R. SPUR, G. EVERSHEIM, W., Annals of the CIRP, 311982, Survey of Computer Aided Process Planning Systems, 2 (31) (1982) 539.
[4] LASHERAS, J.M., Tecnología Mecánica y Metrotecnia (volumen II), Editorial Donostiarra, San Sebastián, (1987).

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