Programación del torno didáctico con control numérico computacional boxford 250

Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

Sección de Estudios de Posgrado e Investigación

PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA PRESENTA

Ing. Pablo Argumedo Moreno Director de tesis: Dr. Luis Héctor Hernández Gómez

México D.F.

TESIS DE MAESTRÍA

Septiembre del 2008

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL SECRETARÍA DE INVESTIGACIÓN Y POSGRADO

CARTA CESIÓN DE DERECHOS En la Ciudad de México, Distrito Federal, el día 28 del mes de Marzo del año 2008, el (la) que suscribe Ing. Pablo Argumedo Moreno alumno (a) del Programa de Maestría en Ciencias de Ingeniería Mecánica, opción Diseño) con número de registro B021876, adscrito a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME, Unidad Zacatenco, manifiesta que es autor (a) intelectual del presente trabajo de Tesis bajo la dirección de Dr. Luis Héctor Hernández Gómez y cede los derechos del trabajo intitulado PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250, al Instituto Politécnico Nacional para su difusión, con fines académicos y de investigación. Los usuarios de la información no deben reproducir el contenido textual, gráficas o datos del trabajo sin el permiso expreso del autor y/o director del trabajo. Este puede ser obtenido escribiendo a la siguiente dirección [email protected]. Si el permiso se otorga, el usuario deberá dar el agradecimiento correspondiente y citar la fuente del mismo.

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RESUMEN En el presente trabajo de tesis se realiza un estudio, de tres diferentes procedimientos para generar la programación del Torno Didáctico Boxford 250 con Control Numérico Computacional (CNC), realizando una comparación entre cada uno de ellos, teniendo como ejemplo práctico el maquinado de una probeta de aluminio, la cual será utilizada para realizar ensayos a tensión. El primer procedimiento es de forma manual (utilizando el panel de control, de la máquina misma), el cual es el intermediario en la operación total, el diagnóstico mostró que para este primer método, es indispensable el conocimiento de los códigos G y M, cálculos (velocidad de corte, velocidad de avance, elección de herramienta, etc.). Se requiere de suficiente tiempo para la aplicación del mismo. En el segundo procedimiento, trata de la programación asistida por sistemas CAD/ (Diseño Asistido por Computadora, por sus siglas en inglés) / CAM (Manufactura Asistida por Computadora, por sus siglas en inglés), el cual es el más recomendable para la programación de dicho torno con CNC. En donde primeramente se diseñó el producto auxiliado con el programa de Auto CAD. Mediante el programa Máster Cam se realizó la conversión del dibujo a código G y M automáticamente. De esta manera, la máquina interpreta las instrucciones del programa. Se simuló el proceso para verificar que no existieran errores y finalmente se llevó a cabo el mecanizado, obteniendo la pieza deseada. La aplicación de éste procedimiento produce ahorros significativos en el tiempo y esfuerzo de programación, ya que todos los cálculos y cambios de herramienta que se requieren, los realiza la máquina automáticamente. El tercer modo consiste, en la generación de trayectorias, empleando el programa Máster CAM (Instalado en la máquina). Aquí se creó el diseño de la pieza por medio de líneas, con sus respectivas dimensiones, especificando el tipo de material a trabajar. Se simuló el maquinado de la pieza a obtener, generando en forma automática la programación requerida para su manufactura

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ABSTRACT In this works three different programming procedures are analyzed, they are used with the didactic turning lathe Boxford 250. This machine tool is operated with a Computational Numerical Control. These procedures are compared when they are used in the production of aluminum specimens for tension tests. In first instance, the manual procedure is followed. In this case the control panel of the machine is used. For this purpose, the G and M codes are required. Besides, the machining parameters, as cutting speed, feed speed, tool selection, etc., must be determined in advance. This is a time consuming procedure. In the second procedure, Computing Aided Design (CAD) is used in conjunction with Computing Aided Manufacture (CAM). In accordance with the obtained results, this is the most advisable procedure for this purpose. Initially, the specimen is designed with Auto CAD. In a second step, Master CAM is used. With the obtained drawings, the machining instructions of the G and M codes are generated automatically. In this way, the manufacture process is simulated and at the same it is verified. Thereafter, the required specimens are machined. In this case, the required time is reduced and the machine programming is easier, because all the calculations and the sequence of the required tools are performed by the computer. In the third case, Master Cam program is used. The specimen is modeled and its material is specified. The manufacture process is simulated and the machine tool instructions are generated automatically.

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ÍNDICE GENERAL RESUMEN ABSTRACT ÍNDICE DE FIGURAS ÍNDICE DE TABLAS SIMBOLOGÍA OBJETIVO JUSTIFICACIÓN INTRODUCCIÓN

Página i ii viii ix x xi xii 1

CAPÍTULO 1 GENERALIDADES SOBRE MÁQUINAS-HERRAMIENTA 1.1 ENTORNO NACIONAL E INTERNACIONAL DE LA INDUSTRIA METAL MECÁNICA 1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS–HERRAMIENTA CONVENCIONALES. 1.3 IMPULSIÓN ELÉCTRICA 1.4 MECANISMOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO PRINCIPAL Y DE AVANCE. 1.5 MODOS DE CONTROL 1.6 EL TORNO. 1.6.1 TIPOS DE TORNO 1.6.2 PARTES PRINCIPALES DE UN TORNO CONVENCIONAL 1.7 TRABAJOS QUE SE REALIZAN CON EL TORNO PARALELO 1.8 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA CONVENCIONALES 1.8.1 HERRAMIENTAS DE CORTE 1.8.2 FLUIDOS DE CORTE 1.8.3 VENTAJAS DE LOS ENFRIADORES 1.9 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

5 6 8 9 10 12 13 15 16 17 18 18 19 20

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CAPÍTULO 2 FUNDAMENTOS DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL APLICADO A MANUFACTURA 2.1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL (CNC) 2.2 ANTECEDENTES DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 2.3 DEFINICIÓN DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 2.4 PROGRAMA DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 2.5 SISTEMAS DE UNIDADES Y MODOS DE ENTRADA 2.5.1 SISTEMA DEL PROGRAMA 2.5.2 CÓDIGO DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL 2.6 NÚMEROS DE SECUENCIA 2.7 LOS GRUPOS G Y M 2.8 FUNCIONES PREPARATORIAS 2.9 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL CONTROL NUMERICO 2.10 PRECISIÓN EN EL POSICIONAMIENTO DEL CONTROL NUMÉRICO 2.11 DIFERENCIAS ENTRE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA CONVENCIONAL Y UNA CON CNC 2.12 SUMARIO

21 22 23 24 25 26 26 28 28 29 29 30 31 34

CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA PARA LA MANUFACTURA EN EL TORNO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250. 3.1 MANUFACTURA 3.2 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250 3.2.1 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO 3.2.2 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO DE CÓMPUTO 3.2.3 PARTES COMPONENTES DEL TORNO CNC 3.3 DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA A MAQUINAR 3.3.1 PLANO DE LA PIEZA 3.3.2 SELECCIÓN DE LA HERRAMIENTA 3.3.3 SELECCIÓN DE LA VELOCIDAD DE CORTE 3.3.4 AVANCE DEL TORNO 3.3.5 SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE 3.4 PROCESO DE MAQUINADO EN EL TORNO BOXFORD 250 CON CNC 3.4.1 UTILIZANDO MODO MANUAL 3.4.2 UTILIZANDO MÁSTER CAM AUXILIADO CON CAD 3.4.3 UTILIZANDO CREACIÓN DE TRAYECTORIAS 3.5 SUMARIO

35 36 36 38 38 43 44 46 47 49 50 52 52 55 75 83 vii iv

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CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN DE RESULTADOS 4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PROGRAMAS UTILIZADOS 4.2 PROGRAMACIÓN MANUAL DE UN CNC 4.3 PROGRAMACIÓN APLICANDO PROGRAMAS CAD/CAM 4.4 PROGRAMACIÓN APLICANDO GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS 4.5 ASPECTOS GENERALES

84 85 87 89 91

CONCLUSIONES RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO REFERENCIAS

92 93 94

ANEXO A: TABLA DE CÓDIGOS GENERALES EMPLEADOS EN LA PROGRAMACIÓN DEL TORNO BOXFORD 250 CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL.

97

ANEXO B: TABLA DE CÓDIGOS MISCELANEOS EMPLEADOS EN LA PROGRAMACIÓN DEL TORNO BOXFORD 250 CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL.

98

ANEXO C: CODIFICACIÓN PARA EL MAQUINADO DE LA PROBETA

100

ANEXO D: CODIFICACIÓN PARA EL ROSCADO DE LA PROBETA

102

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AGRADECIMIENTOS A DIOS MI SEÑOR, POR LA VIDA QUE ME HA DADO POR AMOR, POR ESCUCHARME Y DARME BRIOS Y ENTUSIASMO PARA SEGUIR ADELANTE CON MIS ESTUDIOS Y TRABAJOS. MUY SINCERAMENTE Y CON TODO RESPETO QUE SE MERECE, POR SU VALIOSA GENTILEZA DE BRINDARME TODO SU APOYO Y CONFIANZA, DE SER MAESTRO Y AMIGO, A MI QUERIDO DIRECTOR DE TESIS DR. LUIS HÉCTOR HERNÁNDEZ GÓMEZ, POR SUS SABIOS CONSEJOS Y ASESORIA, YA QUE DE NO SER ASÍ, NO HUBIERA SIDO POSIBLE LA CULMINACIÓN SATISFACTORIA DE ESTE TRABAJO. A LOS INTEGRANTES DE MI COMISIÓN REVISORA, POR SU GRAN DEDICACIÓN Y ESFUERZO, PARA QUE ESTE TRABAJO CUMPLIERA SU OBJETIVO. A TODOS MIS MAESTROS DEL PROGRAMA DE ENSEÑANZAS.

LA MAESTRÍA, POR SUS

AL M. EN C. RICARDO LÓPEZ MARTÍNEZ, (q.e.p.d.), UN RECUERDO PÓSTUMO DE AGRADECIMIENTO. AL M. EN C. JULIO CÉSAR BALANZÁ CHAVARRIA, POR SU GRAN APOYO Y MUESTRA DE CARIÑO. A TODOS MIS COMPAÑEROS DE LA SALA 2 DEL TECNOLOGICO DE POZA RICA Y TODAS AQUELLAS PERSONAS QUE DE ALGUN MODO ME APOYARON. A MIS QUERIDOS PADRES: SR.JULIO ARGUMEDO AMORÉ Y SRA. EUSEBIA MORENO OLARTE, POR SU GRAN AMOR Y COMPRENSIÓN. A MIS HERMANOS: JULIO CESAR, JOSÉ LUIS, ESMERALDA E IRENE.POR SU GRAN MUESTRA DE CARIÑO Y CONFIANZA QUE HAN DEPOSITADO EN MI.

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A MI MUY QUERIDA ESPOSA ERIKA, POR SU GRAN AMOR, QUE SIEMPRE ME HA APOYADO EN TODO MOMENTO Y HA SACRIFICADO PARTE DE SI, PARAA QUE SIGA PROGRESANDO CON MIS ESTUDIOS. A MIS QUERIDAS NIÑAS, QUE SON MI REGALO DE DIOS: LUPITA, ROSI Y ESMERALDITA, AUNQUE SON AÚN MUY PEQUEÑITAS, HAN SABIDO COLABORAR PARA REALIZAR MI TRABAJO.

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ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Partes principales del torno paralelo Figura 3.1 Torno didáctico CNC Boxford 250 Figura 3.2 (a) Partes componentes del torno didáctico CNC Boxford 250 Figura 3.2 (b) Desplazamiento de las herramientas Figura 3.3 Plano de taller Figura 3.4 (a) Torreta porta herramientas Figura 3.4 (b) Posición de las herramientas Figura 3.5 Diagrama de flujo de un proceso de maquinado Figura 3.6 Propiedades de la máquina Figura 3.7 Perfiles del chuck y herramienta Figura 3.8 Características del chuck Figura 3.9 Cuadro del dialogo para seleccionar parámetros Figura 3.10 Trayectoria de careado Figura 3.11 Seleccionar puntos a encadenar Figura 3.12 Propiedades de la herramienta de corte para carear Figura 3.13 Seleccionar la geometria para roscar Figura 3.14 Seleccionar herramienta adecuada para roscar Figura 3.15 Introducir valores en cuadro de dialogo para roscar Figura 3.16 Determinar el número de pasadas Figura 3.17 Geometría para el cilindrado Figura 3.18 Selección de herramienta adecuada para el cilindrado Figura 3.19 Determinar el ángulo de la ranura Figura 3.20 Seleccionar tipo de acabado suave Figura 3.21 Encadenar los puntos para cilindrar Figura 3.22 Seleccionar sentido de corte Figura 3.23 Cilindrar la segunda fase, con la misma herramienta Figura 3.24 La figura muestra los puntos a encadenar, para realizar el cilindrado Figura 3.25 Tipo de herramienta para roscar Figura 3.26 Intoducir valores para el roscado Figura 3.27 Seleccionar simular todas las actividades Figura 3.28 Modelo de la pieza obtenida, mediante la simulación Figura 3.29 Menú principal del programa Figura 3.30 Especificación del material a trabajar Figura 3.31 Dimensiones para refrentar la pieza muestra

15 37 39 40 45 46 47 53 56 57 57 58 59 60 60 61 61 62 62 63 63 64 64 65 65 66 67 67 68 68 69 76 76 77

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Figura 3.32 Trazado de líneas para generar roscado Figura 3.33 Incorporación de valores para el adelgazamiento de la pieza muestra Figura 3.34 Formación de redondeo en el primer extremo Figura 3.35 Formación de redondeo en el segundo extremo Figura 3.36 Trazado de línea en extremo posterior Figura 3.37 Trazado para elaboración de roscado Figura 3.38 Módulo para generar código G Figura 3.39 Verificando dimensiones Figura 3.40 Ejecutando códigos G y M Figura 3.41 Simulación de manufactura Figura 3.42 Perfil de la probeta Figura 4.1 Maquinado de una probeta en el torno CNC Boxford 250 Figura 4.2 Probeta de aluminio maquinada en torno con CNC Figura 4.3 Simulación del maquinado en el torno Boxford 250 Figura 4.4 Plano cuadriculado para la generación de trayectorias Figura 4.5 Representación gráfica del diseño de una probeta aplicando creacion de trayectorias

77 78 78 79 79 80 80 81 81 82 82 86 86 88 90 90

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Tipos de máquinas-herramienta Tabla 1.2 Mecanismos de transformación Tabla 2.1 Descripción del código de letras Tabla 2.2 Diferencias entre una máquina convencional y una máquina con control numérico computacional Tabla 3.1 Velocidades de corte Tabla 3.2 Avances para diversos materiales con el uso de herramientas para alta velocidad Tabla 3.3 Tipos de lubricantes para maquinados Tabla 3.4 Lista de actividades, para emplear Master CAM auxiliado por CAD Tabla 3.5 Lista de instrucciones para creación de trayectorias

7 10 27 32 49 49 51 55 75

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SIMBOLOGÍA

Reduce velocidad de husillo en la misma dirección

40

Reduce velocidad de husillo en reversa

40

Detiene giro de husillo

40

Mueve el sujetador de herramienta en forma ascendente (eje X)

41

Mueve el sujetador de herramienta en forma descendente (eje X)

41

Mueve sujetador de herramienta, lado izquierdo (eje Z)

41

Mueve sujetador de herramienta, lado derecho (eje Z)

41

Control de movimiento del contenedor de herramientas en modo rápido

41

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OBJETIVO El principal objetivo que se pretende cubrir al desarrollar este trabajo es, conocer y aplicar una metodología para manufacturar productos diversos en el torno didáctico Boxford 250 con Control Numérico Computacional. Esto de forma sencilla y generando la programación del mismo, en el menor tiempo posible, con mayor exactitud y confiabilidad en el proceso. Para ello se consideran tres procedimientos, posibles de aplicarlos en dicha máquina. a) Aplicando la programación manual b) Aplicando sistemas CAD/CAM. c) Aplicando creación de trayectorias de herramienta.

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JUSTIFICACIÓN Los sistemas de manufactura, como el torno con Control Numérico Computacional, presentan grandes ventajas en el maquinado de piezas, y a pesar de que han sido aceptados por muchas empresas e instituciones educativas de muchos Países incluyendo a México, en la ciudad de Poza Rica, son muy raros. Esto nos exige estar más capacitados e informados de dichos avances tecnológicos. Por esta razón la programación de dichos sistemas de manufactura resulta ser muy importante, esto permite la manufactura de diversos productos de manera eficiente. Sin embargo, es necesario determinar los parámetros de fabricación de acuerdo a los lotes de producto requerido. En México, el grado de utilización de esta tecnología, es muy bajo, sobre todo en el estado de Veracruz, se concentran en trabajos pequeños y de escaso valor; el resto de la demanda: un volumen enorme, se comisiona, desarrolla e importa de Estados Unidos, Canadá y otras regiones. Esto es una fuga de divisas, que podría detenerse si los industriales e inversionistas mexicanos identificaran esta oportunidad de emplear CNC en la industria, para que esta misma se fortalezca. El capital que se gira en este renglón productivo y que se va a otros países podría quedarse en México si se desarrollara la infraestructura necesaria. Es por ello que el tecnológico de Poza Rica, en base a esta situación, ha visto la oportunidad de mercado en este segmento industrial (zona petrolera), por lo que pretende abrir programas o talleres al desarrollo, haciendo uso de la tecnología CNC y poder ofrecer consultoría, capacitación e investigación. El presente tema de tesis se justifica con el planteamiento de tres métodos para generar la programación del torno didáctico con Control Numérico Computacional Boxford 250.

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INTRODUCCIÓN Las máquinas-herramienta juegan un rol fundamental en el desarrollo tecnológico del mundo, hasta el punto que no es una exageración decir que la tasa del desarrollo de máquinas-herramienta gobierna directamente el crecimiento industrial de cualquier país. Los bienes de capital de todo tipo se lograron concebir y realizar mediante la utilización de las máquinas-herramienta, pero no podían ser comercializados por no existir los medios adecuados para su construcción industrial. Para lo que era necesario realizar diversas operaciones tales como fresado, alisado, torneado y perforado, entre otros, con lo cual se obtendría una gran eficiencia si estas máquinas-herramienta se encontraran agrupadas, y mayor aún sería el impacto si todas estas operaciones se pudieran realizar en una sola máquina. Las mejoras introducidas por la aparición de las máquinas-herramienta y los nuevos requisitos que se sumaban día a día, forzaron al reemplazo del operador-hombre. Así se comenzó con la introducción del control numérico en los procesos de fabricación, impuesto por varias razones: Necesidad de maquinar productos que no se podían conseguir en cantidad y calidad suficientes sin recurrir a la automatización del proceso de fabricación Necesidad de obtener productos, hasta entonces imposibles o muy difíciles de elaborar, por ser excesivamente complejos para ser controlados por un operador humano Necesidad de manufacturar productos a precios suficientemente bajos El factor inicial predominante que condicionó toda automatización fue el aumento de productividad. Posteriormente, debido a las nuevas necesidades de la industria aparecieron otros aspectos no menos importantes como la precisión, la rapidez y la flexibilidad. Finalmente, se redujeron los costos de desarrollo, adaptación, puesta en marcha, formación, documentación y mantenimiento. Con los sistemas de control, planificación y gestión de formación, hacen del control numérico (CN), la base de apoyo a nuevas tecnologías de fabricación: el COM, fabricación 1 TESIS DE MAESTRÍA

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flexible y el CIM, fabricación integrada por computadora, estas últimas por sus siglas en inglés. El presente trabajo tiene por objetivo la aplicación de la programación para maquinado en un torno de control numérico Boxford 250. Para este efecto se seguirán diversos procedimientos, todo esto con la finalidad de mostrar los alcances y ventajas de cada uno de ellos. Es importante hacer notar que dicha programación se integrará con programas de dibujo, con lo cual se hará uso de los recursos computacionales en el proceso de fabricación. Esta tesis se ha dividido en cuatro apartados. A continuación se presenta un análisis resumido de los capítulos contenidos en ella. En el capítulo uno, se establecen las generalidades de las máquinas-herramienta convencionales, el principio de funcionamiento; así como los mecanismos que intervienen en el movimiento principal y de avance, haciendo un enfoque principalmente al torno tipo paralelo. También se habla sobre aspectos relacionados con la manufactura, tal como herramientas y fluidos de corte, con este panorama se plantea el caso de estudio. En el capítulo dos, se presenta una definición de control numérico computacional, las ventajas y limitaciones del mismo, así como sus unidades y modos de entrada. Así mismo se plantea el procedimiento de programar el torno didáctico Boxford 250, para la aplicación de la metodología propuesta. En el capítulo tres, se aplican los tres métodos de programar el torno didáctico Boxford 250 con Control Numérico Computacional, para el mecanizado, en los cuales se aplican: programación manual, programación mediante los programas (Máster Cam auxiliado con Auto Cad) y creación de trayectorias. En el capítulo cuatro, se realiza un análisis de los tres métodos de programación anteriormente descritos, y una vez efectuada la evaluación de resultados obtenidos, se tiene que el torno didáctico Boxford 250 se puede programar ventajosamente mediante la aplicación del programa Máster Cam auxiliado con CAD, obteniendo de esta manera un excelente resultado. En cuanto a trabajos de tesis, que se han realizado en la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación de la ESIME, y que tiene relación con el presente trabajo de tesis, se puede partir de las ideas establecidas por Villalobos, quién menciona que en el terreno de 2 TESIS DE MAESTRÍA

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la Ingeniería Mecánica, existe la tendencia de utilizar métodos computacionales cada vez más poderosos en el diseño y manufactura de bienes de consumo y de capital. Esto con el fin de incrementar la productividad y tener mejores oportunidades en mercados cada vez más competitivos [37]. Desde luego, una manera de crecer tecnológicamente, es mediante la extracción de tecnología. Si bien es cierto que esta metodología involucra un proceso de conocimiento heurístico, también el aspecto computacional en la manufactura es un ingrediente primordial [38]. La utilización de robótica en la manufactura ha captado interés. A nivel doctoral, se trabajó en el problema de que un brazo pudiese tomar dos objetos de una banda transportadora, sin que regresara a su posición “cero” entre los eventos de sujetar cada objeto y sin cambiar el efector final del brazo considerado. Para este efecto, se implementó un algoritmo de recuperación de tiempos, el cual se complementaba con un sistema de reconocimiento de imágenes. El control diseñado, coordinaba todos los sistemas involucrados [18]. También en este contexto, Merchán [27] propone el uso de manipuladores para procesos automatizados de soldadura y pintura. Velázquez [36] se enfoca en la importancia del sistema de control de los manipuladores. Asimismo, Ramírez [31] establece la importancia de un buen diseño de los efectores finales en los brazos robóticos para eficientar las líneas de fabricación. Berber [8] se enfoca en los grados de libertad de los manipuladores. En todos estos casos, la programación y mecatrónica son aspectos protagónicos. Asimismo, se ha trabajado en el análisis de procesos de manufactura sin arranque de viruta. Para este efecto, Guerra [20] simuló el proceso de deformación plástica de geometrías cilíndricas. Siguiendo esta misma línea, Campos [9] evalúa el proceso de conformado plástico de una abrazadera para bicicleta. Para este efecto simula el proceso y compara con los resultados que se obtienen en la manufactura de este componente. Otro aspecto que se ha tocado es el diseño de herramental en procesos de manufactura sin arranque de viruta. Esto ha sido hecho por Guerrero [21] y García [19]. En ambos casos, se ha buscado optimizar la fabricación de las piezas involucradas. En el terreno de los procesos de soldadura, se puede mencionar a los trabajos de Aguilera [1] y Soto [34]. El primero hace una evaluación de las soldaduras empleadas en las costuras de tubería de acero inoxidable empleada en partes automotrices. Mientras que el segundo se enfoca en la automatización del proceso de soldadura en la fabricación de 3 TESIS DE MAESTRÍA

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ademes para minas. Mención especial se debe hacer el trabajo de Méndez [26], quién con un enfoque numérico experimental se dio a la tarea de diseñar y fabricar un material compuesto. Asimismo, otro terreno en el que se ha incursionado es en el de los tratamientos térmicos, que básicamente están relacionados con endurecimientos superficiales. Como ejemplo de lo anterior está el trabajo de Ayala [7], entre otros. Dentro del terreno del Diseño Asistido por Computadora está el trabajo de Díaz [11], quién lo aplica a optimización de la fabricación de bases para licuadora. Este autor ha continuado esta línea y ha escrito obras relacionadas con Auto CAD. El material bibliográfico relacionado es [12, 13,14]. Si bien es cierto que en diversas tesis de la SEPI-ESIME se ha tratado con diferentes temas relacionado con la manufactura y los sistemas de cómputo, a la fecha no se ha tocado a profundidad el tema de la Manufactura Asistida por Computadora. Esto es una de las finalidades del presente trabajo. Es importante que este se complementa con la tesis que actualmente se encuentra desarrollando Avendaño [6], quién trata este tema enfocado al fresado modelos a escala.

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CAPÍTULO 1

GENERALIDADES SOBRE MÁQUINAS-HERRAMIENTA

1.1 ENTORNO NACIONAL E INTERNACIONAL DE LA INDUSTRIA METAL-MECÁNICA La industria metalmecánica en México es un eje fundamental en la actividad económica del país, de él se derivan un gran número de industrias que soportan en su mayoría la actividad industrial en nuestro país (mineras, pesqueras, agroindustriales, eléctrico-electrónico, siderúrgico, metalúrgico, petrolera y automotriz entre otras). Se está tratando de utilizar la capacidad instalada ociosa de esta industria metal mecánica, enfocando esfuerzos a la sustitución de importaciones y desarrollo de exportaciones. Las empresas del sector metalmecánico están integradas por micro, pequeñas y medianas industrias; de acuerdo a cifras de la Secretaría de Economía, en el año 2003 se contabilizaron más de 24 mil establecimientos. Respecto a la participación del Producto Interno Bruto (PIB), en el 2003, ésta fue de 2.9% y en lo que se refiera al PIB manufacturero es de 13.6 por ciento [39]. En la República Mexicana, la industria metalmecánica se ubica en la mayoría de las entidades federativas, resaltando por su importancia Chihuahua, Nuevo León, San Luís Potosí, Estado de México, Durango, Querétaro, Hidalgo, Jalisco, Puebla y Tamaulipas, donde se concentra más del 95% de las empresas del sector. El esquema de producción de las empresas del sector metalmecánico ha evolucionado, desde la elaboración de operaciones de procesos simples a sofisticados métodos de manufactura, que pretende cubrir las necesidades del mercado norteamericano, además de poseer la capacidad e infraestructura que las posibilitan para competir en el mercado internacional. En el 2003, el sector metalmecánico generó 1,300,000 empleos. En este caso, existen oportunidades que se pueden capitalizar en fortalezas, como el hecho de que grandes empresas del ramo metalmecánico de Estados Unidos amplíen sus volúmenes de productos mexicanos competitivos. Así mismo, hay que atender algunas debilidades, como la falta de experiencia exportadora, altos costos de fletes y servicios, así como de insumos y materias primas, además de la carencia de registro de marcas y patentes. Por otra parte, se tiene una acentuada dependencia del mercado norteamericano y se observa el desplazamiento de la producción nacional por productos de importación [39]. 5 TESIS DE MAESTRÍA

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Es por ello que los fabricantes deben conocer la utilidad y operación del Control Numérico Computacional que brinda el área de manufactura. 1.2 CLASIFICACIÓN DE LAS MÁQUINAS–HERRAMIENTA CONVENCIONALES El maquinado es en esencia, el proceso de remover el metal no deseado de barras, piezas forjadas o piezas vaciadas para producir la forma y dimensión requeridas. El maquinado se hace desprendiendo el metal en pequeños trozos, a los que se llama viruta, usando herramientas de corte muy duras y maquinas- herramientas rígidas y potentes [29]. Existen diferentes tipos de máquinas-herramienta y a su vez cada tipo tiene una subdivisión. En este caso, se hace una clasificación general, evitando se preste a confusiones. Por lo consiguiente se divide a las máquinas-herramienta en tres grandes grupos que son: las de taller, las de producción y las especiales. Cualquier tipo de máquinas-herramienta se encuentra dentro de sus subdivisiones de los tres géneros antes mencionados. Máquinas-herramienta de taller. Este tipo usualmente se diseñan con elementos de trabajo universal y dispositivos de sostén de herramienta, alimentaciones manuales o automáticas y componentes móviles que permiten el posicionamiento más fácil de la pieza de trabajo para un corte dado. La potencia disponible es usualmente baja, debido al gran número de componentes móviles, produciendo menor rigidez y limitando la profundidad de corte, debido a su mayor tendencia a la vibración. Máquinas-herramienta de producción. Se ha diseñado una gran cantidad de máquinas estándar con la capacidad para realizar trabajo repetitivo de naturaleza, un poco especializada o de alcance limitado, con mayor calidad de la que se espera usualmente del equipo del taller de herramientas para trabajo múltiple. Tómese en cuenta que las máquinas de producción tienen menos versatilidad, menos ajustes, mayor rigidez, alta potencia y con frecuencia requieren de alimentación o habilitación mayor que las máquinas-herramienta de taller, pero una vez que se ha realizado la habilitación, producen trabajos a velocidades más rápidas.

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Máquinas-herramienta especiales. Estas presentan un grado de especialización aún mayor para lograr disminuir el tiempo de operación, que varia desde aquellas que son capaces de hacer determinadas operaciones con un tipo específico de producto, a las que pueden maquinar solo una superficie de una pieza de trabajo específico. Fundamentalmente, las máquinas-herramienta ejecutan su función, proporcionando y produciendo movimientos relativos controlados entre una o más piezas. El material, o bien se quita, o se deforma en el proceso para producir la pieza a la forma deseada. En la tabla 1.1 se muestra algunos de los diferentes tipos de máquinas-herramienta, así como los movimientos relativos entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte utilizada.

MOVIMIENTO DE CORTE

MÁQUINA

Torno mecánico

La pieza gira

Barrenadora

La herramienta gira

Cepillo de mesa

Mesa viajera

Taladro

La herramienta gira

Cepillo de codo

Herramienta viajera

Fresadora horizontal

La herramienta gira

Sierra

Herramienta

MOVIMIENTO DE ALIMENTACIÓN

TIPOS DE OPERACIONES

Superficies cilíndricas, Herramienta y carro taladrado, barrenado, careado Taladrado, Mesa barrenado, rimado, careado. Herramienta Superficies planas Taladrado, barrenado, Herramienta refrentado y roscado. Mesa Superficies planas Superficies planas, dientes de engranes, Mesa levas, taladrado, barrenado, rimado y refrentado. Herramienta y/o Corte pieza

Tabla 1.1 Tipos de máquinas-herramienta [4]

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Por herramienta se entiende a aquel instrumento que por su forma especial y por su modo de empleo, modifica paulatinamente el aspecto de un cuerpo hasta conseguir el objeto deseado, empleando el mínimo de tiempo y gastando la mínima energía. Las cuchillas o puntas de herramienta que se emplean en el torno se hacen de uno de los materiales básicos siguientes: acero de temple al agua y de alta velocidad, materiales no ferrosos fundidos duros, carburos sinterizados (cementados), cerámicas y diamantes [17]. Las herramientas de corte están sometidas a: a) grandes esfuerzos localizados, b) altas temperaturas, c) deslizamiento de la viruta por la cara de ataque y d) deslizamiento de la herramienta por la superficie recién cortada. Estas condiciones inducen el desgaste de la herramienta que, a su vez, afecta en forma negativa la vida de la herramienta, la calidad de la superficie maquinada y su exactitud dimensional, y en consecuencia la economía de las operaciones de corte.

1.3 IMPULSIÓN ELÉCTRICA En todas las máquinas-herramienta se distinguen dos movimientos básicos: 1. Movimiento principal, cuya misión consiste en asegurar cierta velocidad de corte del metal por la herramienta. 2. Movimiento de avance, que desplaza la herramienta (en tornos) o, en otros casos, la pieza (en fresadoras, cepilladoras, etcétera). Generalmente, el movimiento principal se realiza por medio de un motor eléctrico a través de una caja de velocidades (cabezal fijo), y el movimiento de avance puede conseguirse mediante un motor eléctrico individual o por medio de una transmisión mecánica que emana de la caja de velocidades. Además de los movimientos básicos citados, las máquinas-herramienta disponen de un conjunto de movimientos auxiliares, tales como: Movimiento de ajuste y desplazamiento de la herramienta. Movimiento para control de maquinado. Movimiento del sistema de lubricación. 8 TESIS DE MAESTRÍA

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Movimiento para fijación de la pieza. Movimiento para fijación de la herramienta. Las máquinas-herramienta modernas se suministran conjuntamente con los accionamientos eléctricos necesarios para el movimiento principal, de avance y auxiliares de acuerdo con las exigencias del régimen de funcionamiento requerido (tipos de carga, características de regulación, frecuencia de los arranques, etc.) y los factores energéticos del accionamiento (factor de potencia, rendimiento, etc.), así como también el grado de seguridad, facilidad de manejo, la comodidad de la puesta a punto, etc [4]. La potencia es un parámetro muy importante y que está determinado por la impulsión eléctrica, ya que este establece la capacidad de la máquina.

1.4 MECANISMOS QUE INTERVIENEN EN EL MOVIMIENTO PRINCIPAL Y DE AVANCE Existen diferentes órganos dentro de las máquinas-herramienta, los cuales, por su desempeño, son considerados dentro de los elementos más importantes. Estos reciben el nombre de mecanismos, conceptuandolos como el conjunto de piezas o partes que tienen la función de realizar, variar o controlar un movimiento, o bien, modificar sus características. Los mecanismos que transforman un movimiento son variados y se utilizan para cambiar de un tipo de movimiento a otro. La tabla 1.2 muestra una clasificación más específica.

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MECANISMO

TIPO DE MOVIMIENTO

TRANSFORMACIÓN DEL MOVIMIENTO

APLICACIONES

Par tornillo-tuerca

Rectilíneo a velocidad constante

De rotativo a rectilíneo

Par piñóncremallera

Rectilíneo a velocidad constante

De rotativo a rectilíneo

Par tornillo sin fin-cremallera

Rectilíneo a velocidad constante

De rotativo a rectilíneo

Movimiento de avance en carros, mesas, etc.

Biela-manivela

Rectilíneo alternativo

De rotativo a rectilíneo alternativo

Movimiento de avance de los cepillos, etc.

Manivela-colisa oscilante

Rectilíneo alternativo

De rotativo a rectilíneo alternativo

Movimiento de corte del cepillo de codo, etc.

Leva

Rectilíneo alternativo

De rotativo a rectilíneo alternativo

Movimiento de avance de la rectificadora, etc.

Para imprimir los movimientos de avance en torno, fresadoras, etc. Movimiento de avance de árbol del taladro y del carro longitudinal en el torno, etc.

Figura 1.2 Mecanismos de transformación [4]

1.5 MODOS DE CONTROL Dentro de los elementos básicos de las máquinas-herramienta, se tiene al método de control, el cual tiene el mismo valor en importancia que cualquiera de los otros elementos antes mencionados, ya que existe una interacción entre cada uno de éstos. Una máquina-herramienta tiene diferentes tipos de controles. Así se puede encontrar controles eléctricos para arranque y paro; controles selectivos de opción múltiple, usados para el cambio de velocidades, avances o alguna opción especial. Normalmente, las velocidades se modifican, ya sea por bandas y poleas, por medio de engranes y palancas, o 10 TESIS DE MAESTRÍA

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bien, eléctricamente, en el caso de contar con una máquina con motor de velocidad variable. Debido a que en este trabajo se menciona sobre maquinado de piezas, para el caso de este punto en particular, se indican los métodos de control de avance o alimentación para las máquinas-herramientas de producción. Control manual. Pocas máquinas de producción se controlan manualmente, aunque en algunas se hace para propósitos generales. A las máquinas que poseen alimentación manual, se les conoce como máquinas sensitivas. Control mecánico. Las máquinas de control mecánico son ajustadas para controlar mecánicamente la operación de comienzo a final, utilizando algún dispositivo mecánico. Control mecánico por levas. En las máquinas que usan control de levas semiautomáticas, cada operación sucesiva en el ciclo comienza cuando la otra termina. Las levas usualmente accionan cambios de velocidades, alimentaciones y avances de corte de la herramienta. Control eléctrico. En lo que se refiere al control para el movimiento de avance en las máquinas-herramienta, se realiza en algunas de ellas por medio de un motor eléctrico, independiente que, normalmente está conectado a una caja de velocidades, para proporcionar una gama amplia de velocidad. El control eléctrico para el sistema de avance es auxiliado por elementos de mando y de maniobra, tales como: contactores, interruptores, conmutadores, relevadores, resistencias de regulación y de arranque, interruptores de fin de carrera, pulsadores de marcha y par, posicionadores, etcétera. Los motores más empleados para el accionamiento de las máquinas-herramienta son: motores trifásicos asíncronos con rotor en corto circuito y motores trifásicos asíncronos con rotor bobinado [2]. Control electrónico. Se utiliza cuando se requieren velocidades variables y reguladas en una amplia gama, con precisión y rapidez, pues éste permite suministrar y absorber elevados pares mecánicos en los dos sentidos de giro. El control de velocidad de estos motores se realiza por variación de la tensión de alimentación, pudiéndose alcanzar gamas de velocidad entre 1 y 3000 rpm.

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Control neumático. Es utilizado para movimientos en dispositivos bajo fuerzas de carga extrema, únicamente cuando la presión considerada es baja. También es utilizado en elementos de aproximación [4]. 1.6 EL TORNO A una pieza de trabajo en revolución la pone en contacto con una herramienta que se mueve ya sea transversal o longitudinalmente con respecto al eje de la pieza [23]. De esta forma el torno mecánico es una máquina-herramienta para mecanizar piezas por revolución, arrancando material en forma de viruta mediante una herramienta de corte. Esta será apropiada al material a mecanizar y puede estar hecha de acero al carbono, acero rápido, acero rápido al cobalto, cerámica, diamante, etc., aunque siempre será más dura y resistente que el material mecanizado. El torno puede realizar operaciones de cilindrado, mandrinado, roscado, refrentado, ranurado, taladrado, escariado, moleteado, cilindrado en línea, etc., mediante diferentes tipos de herramientas y útiles intercambiables con formas variadas según la operación de conformado que realiza.

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1.6.1 TIPOS DE TORNO Existen varios tipos de tornos y a su vez cada tipo tiene una subdivisión, los cuales pueden ser: a) Tornos de no-producción: Torno paralelo: es el más común y tiene los componentes básicos y puede efectuar las operaciones ya descritas. Torno rápido: se utiliza principalmente para operaciones de torneado rápido de metales, para madera y para pulimento. Torno para taller mecánico: se utiliza para hacer herramientas, matrices o piezas de precisión para maquinaria. b) Tornos de semiproducción: Tornos copiadores: es un torno paralelo con un aditamento copiador. Copia el movimiento de las herramientas de corte. Torno revólver: cuenta con una unidad de alineación para herramientas múltiples, en lugar de la contrapunta. Tiene diferentes posiciones y puede ser horizontal o vertical. Horizontal: se clasifica en ariete o de portaherramientas. Los arietes tienen torreta para herramienta múltiple montado en el carro superior, el cual es adecuado para materiales gruesos que necesitan mucho tiempo para tornear o perforar. Vertical: pueden operar en forma automática, se alinean con la pieza de trabajo con un mecanismo o con control numérico. El revólver vertical es de dos tipos básicos: estación individual y múltiple. Estos últimos tienen husillos múltiples que se vuelven a alinear después de cada accionamiento. c) Tornos de producción: Tornos de mandril automático o tornos al aire: Son similares a los tornos tipo revólver de ariete o carro superior, excepto que la correa está montada verticalmente. No tiene contrapunta y el movimiento para el avance se aplica en la torreta. En estos tornos se utilizan una serie de pasadores y bloques de disparos para controlar las operaciones. 13 TESIS DE MAESTRÍA

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Tornos automáticos para roscar: Son automáticos, incluso la alimentación al sujetador del material de trabajo. Se controlan con una serie de excéntricas que regulan el ciclo. Son del tipo de husillo individual o múltiple. Los de husillo individual son similares a un torno revólver excepto por la posición de la torreta. Los tornos suizos para roscar difieren de los demás en el que el cabezal produce el avance de la pieza de trabajo. Estos también tienen un mecanismo de excéntricas para el avance de la herramienta. Estas mueven a la herramienta de corte que está soportada verticalmente, hacia adentro y hacia afuera, mientras la pieza de trabajo pasa frente a la herramienta. Los tornos para roscar con husillos múltiples tienen de cuatro a ocho husillos que se alinean a diversas posiciones. Cuando se alinean los husillos, efectúan diversas operaciones en la pieza de trabajo. Al final de una revolución, se termina la pieza de trabajo. d) Torno con Control Numérico Computacional (CNC): El torno CNC es un tipo de torno operado mediante control numérico por computadora. Se caracteriza por ser una máquina herramienta muy eficaz para mecanizar piezas de revolución. Ofrece una gran capacidad de producción y precisión en el mecanizado, por su estructura funcional y porque los valores tecnológicos del mecanizado están guiados por el ordenador que lleva incorporado, el cual procesa las instrucciones de ejecución contenidas en un programa que previamente ha confeccionado un programador conocedor de la tecnología de mecanizado en torno. Es una máquina ideal para el trabajo en serie y mecanizado de piezas complejas [15].

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1.6.2

PARTES PRINCIPALES DE UN TORNO CONVENCIONAL

Las partes principales de un torno paralelo convencional son las siguientes:

Figura 1.1 Partes principales del torno paralelo [40].

a) Bancada: Sirve de soporte para las otras unidades del torno. En su parte superior lleva unas guías por las que se desplaza el cabezal móvil o contrapunto y el carro principal. b) Selector de velocidad: Para lograr una variación de velocidades, mayor que las limitadas por los mecanismos anteriores, se emplean en algunos tornos variadores de velocidad mecánicos o hidráulicos. c) Contra cabezal o cabezal móvil: A veces llamado impropiamente contrapunto, consta de dos piezas de fundición, de las cuales una se desliza sobre la bancada y la otra puede moverse transversalmente sobre la primera, mediante uno o dos tornillos. Ambas pueden fijarse en cualquier punto de la bancada mediante una tuerca y un tornillo de cabeza de grandes dimensiones que se desliza por la parte inferior de la bancada. La superior tiene un agujero cilíndrico perfectamente paralelo a la bancada y a igual altura que el eje del cabezal. 15 TESIS DE MAESTRÍA

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d) Carro transversal: El carro principal lleva una guía perpendicular a los de la bancada y sobre ella se desliza el carro transversal. Puede moverse a mano, para dar la profundidad de pasada o acercar la herramienta a la pieza, o bien se puede mover automáticamente para refrentar con el mecanismo ya explicado. Para saber el giro que se da al husillo y, con ello, apreciar el desplazamiento del carro transversal y la profundidad de la pasada, lleva el husillo junto al volante de accionamiento un tambor graduado que puede girar poco o fijarse en una posición determinada e) Carros portaherramientas: Consta del carro principal, que produce los movimientos de avance y profundidad de pasada, el carro transversal, que se desliza transversalmente sobre el carro principal, y el carro superior orientable, formado a su vez por tres piezas: la base, el carro transversal y el portaherramientas. Su base está apoyada sobre una plataforma giratoria para orientarlo en cualquier dirección. f) Cabezal fijo: Contiene los engranajes o poleas que impulsan la pieza de trabajo y las unidades de avance. Incluye el motor, el husillo, el selector de velocidad, el selector de unidad de avance y el selector de sentido de avance. Además, sirve para soporte y rotación de la pieza de trabajo que se apoya en el husillo. g) Portaherramientas: En ellos se ubican las herramientas de corte en distintas posiciones.

1.7 TRABAJOS QUE SE REALIZAN CON EL TORNO PARALELO Es el más utilizado, gracias a la universalidad de sus movimientos. Los trabajos característicos que se realizan en el torno paralelo son: Cilindrado exterior: Es una operación para dar forma y dimensiones a la superficie lateral de un cilindro recto de revolución. Se emplea siempre la herramienta adecuada, recta o curvada, de acuerdo con la operación de desbaste o de acabado. La posición debe ser correcta para que se pueda realizar toda la longitud de la pasada sin interrupciones. Hay que asegurarse de que no estorban: el perro, las garras del plato, la contrapunta, las lunetas, etc. Así como en el desbaste, lo fundamental no es ni la rugosidad, ni la precisión, sino el rendimiento en la cantidad de viruta cortada. Por otra parte, el acabado dentro de las limitaciones del torno, lo fundamental es la precisión en las medidas y la rugosidad, que deben ser pedidas en los dibujos de taller. Se realiza maniobrando de igual modo que en el cilindrado de desbaste, pero variando los elementos de corte, como son la velocidad, el avance y la profundidad de pasada, así como la herramienta. 16 TESIS DE MAESTRÍA

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Refrentado: Se llama así a la realización de superficies planas en el torno. Este puede ser completo, en toda la superficie libre, o parcial, en superficies limitadas. También existe el refrentado interior. Torneado de conos exteriores: En líneas generales, es muy parecido al torneado de cilindros. Pero presenta algunas peculiaridades.

1.8 PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE LAS MÁQUINAS-HERRAMIENTA CONVENCIONALES El principio de operación de las máquinas-herramienta convencionales está íntimamente relacionado con la ingeniería de manufactura (planeación) y la habilidad práctica del operario. Dependiendo directamente de esta última, el nivel de producción alcanzado en un día, una semana o durante un tiempo predeterminado. Por lo tanto, se puede citar que los puntos básicos en los que se fundamenta su principio de operación son los siguientes [23]: 1. El operario estudia y analiza el plano elaborado por ingeniería de manufactura. 2. Determina el tipo de herramienta posible a utilizar para producir los diferentes contornos o especificaciones de la pieza requeridos. 3. Delimita la secuencia de operaciones para producir la forma especificada. 4. Precisa el tipo de sujeción adecuada de la pieza o herramienta, según sea el caso, en función de la secuencia de operaciones antes mencionada. 5. El operario determinará las diferentes velocidades, avances y profundidad de corte, dependiendo del tipo de operación que se realice (desbaste o acabado), del tipo del material que se maquine y de la clase de herramienta utilizada. 6. Medición o verificación de las dimensiones de la pieza en función del tipo de operación ejecutada. 7. Cambio de sujeción de la pieza, herramienta, velocidades, avances y profundidad de corte en caso de requerirse, para maquinar otra cara de la pieza. 8. En el caso de producir una pieza con más de una cara para maquinar, se repite la secuencia a partir del punto 4, en caso contrario se continúa con el siguiente paso. 9. Medición o verificación final de las dimensiones requeridas.

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1.8.1 HERRAMIENTAS DE CORTE Las herramientas de corte deben poseer ciertas características específicas, entre las que destacan: resistencia mecánica, dureza, tenacidad, resistencia al impacto, resistencia al desgaste y resistencia a la temperatura. La selección de la herramienta de corte va a depender de la operación a realizar, el material de la pieza, las propiedades de la máquina, la terminación superficial que se desee, etc. Para cumplir con cada uno de estos requerimientos han surgido herramientas formadas por diferentes aleaciones. Los materiales para las herramientas de corte incluyen aceros al carbono, aceros de mediana aleación, aceros de mediana aleación, aceros de alta velocidad, aleaciones fundidas, carburos cementados, cerámicas u óxidos y diamantes. Las herramientas de diamante, como los insertos de cerámica, no son de alta velocidad de corte, pero pueden producir acabados excepcionalmente finos y mantener tolerancias muy estrechas [29]. 1.8.2 FLUIDOS DE CORTE Los fluidos de corte son líquidos que se utilizan durante el mecanizado, aplicándose en la zona de formación de viruta, para mejorar las condiciones de corte en comparación con un corte seco. Estas mejoras van en pos de enfriar la herramienta, la pieza y la viruta, lubricar y reducir la fricción, minimizar la posibilidad de crear cantos indeseables en la herramienta, arrasar con la viruta y proteger la pieza de la corrosión. Existen tres tipos: Enfriadores y lubricantes, sobre una base de petróleo mineral Aceite y agua, que enfrían por tener una gran capacidad de transferir calor Aceites puros, que lubrican solamente, para mecanizados de baja velocidad

El acceso del fluido a la cara de ataque es difícil, especialmente a velocidades elevadas de corte. Sin embargo, el fluido entra a la zona de deslizamiento, y un poco se puede filtrar desde los lados de la viruta. Los efectos atribuibles a la lubricación frecuentemente pueden observarse, especialmente cuando el contacto con la herramienta de 18 TESIS DE MAESTRÍA

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corte es intermitente. En el corte a baja velocidad con fricción deslizante, la fricción en la cara de ataque se reduce, por lo tanto, el ángulo de corte se incrementa, la viruta se hace más delgada, se curva más agudamente y el consumo de la potencia baja [33].

1.8.3 VENTAJAS DE LOS ENFRIADORES La aplicación de los enfriadores presenta las siguientes ventajas en el proceso del maquinado: 1. Aumentan la vida de la herramienta, bajando la temperatura en la región del filo principal 2. Facilitan el manejo de la pieza terminada 3. Disminuyen la torsión térmica causada por los gradientes de temperatura producidos durante el mecanizado 4. Realizan una labor de limpieza por arrastre, al ayudar a remover las virutas de la región de corte.

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1.9 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA En la actualidad, el uso de máquinas-herramienta con control numérico computacional se va incrementando. Sin embargo, se debe tener una idea clara con que volúmenes de producción es adecuado utilizarlas. Esta tarea se facilita cuando la manufactura asistida por computadora, se utiliza con programas de diseño asistido por computadora. De aquí que los operarios deben tener una idea clara sobre el alcance que pueda tener los trabajos realizados cuando se emplean diversos programas de CAD en sistemas CAM. Así mismo, las máquinas con control numérico tienen flexibilidad y es posible maquinar una pieza de diversas formas. Esta situación se presenta en el torno didáctico con CNC Boxford 250, este está disponible en las instalaciones del laboratorio del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica. Según análisis preliminares, una pieza se puede fabricar mediante tres métodos: Mediante la programación manual de la máquina Empleando programas CAD con CAM Generando la trayectoria de la herramienta Para este efecto es necesario evaluar las ventajas y limitaciones de cada procedimiento. En este sentido, se maquinará una probeta para un ensayo a tensión y se realizarán las evaluaciones requeridas, para conocer los beneficios que nos ofrece sobre esta herramienta que existe actualmente, ya que no solamente es una tecnología mucho más avanzada, sino que también provee características que expanden su potencia y eficiencia con respecto a las aplicaciones que compiten en este mercado. Se está planteando el maquinar la pieza mostrada en la figura 3.3 utilizando los códigos G y M, esta incluye las operaciones de torneado más comunes y se puede hacer de acuerdo al torno Boxford 250. Esta es de aluminio y es una pieza que tiene demanda en los cursos de ensayo de materiales del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica.

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CAPÍTULO 2

FUNDAMENTOS DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL APLICADO A MANUFACTURA

2.1 INTRODUCCIÓN AL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL (CNC) El acrónimo CNC significa Control Numérico por Computadora, y se refiere al control de máquinas-herramienta por medio de computadoras, con el propósito de fabricar partes complejas en metal y otros materiales, usualmente de forma repetitiva, empleando un programa escrito en una notación conocida como Código G. Los primeros estudios sobre tecnología CNC se hicieron en máquinas-herramienta de Control Numérico (NC, por sus siglas en inglés) desarrolladas justo después de la segunda guerra mundial. Las máquinas NC operaban automáticamente con números que se les proporcionaban, usualmente a través de tarjetas perforadas. Hicieron posible por primera vez la fabricación de objetos de manera precisa repetidamente. Fue en la década de los 60´s que la maquinaria NC dio lugar a la maquinaria CNC; las primeras investigaciones en este sentido fueron llevadas a cabo en el Laboratorio de Servomecanismos del Instituto Tecnológico de Massachussets Existen diferentes tipos de máquinas-herramienta que pueden ser controladas por medio de CNC, tales como taladros, cortadoras de plasma, tornos, fresadoras, centros de maquinado y ruteadores (pantógrafos). La introducción de la tecnología CNC cambió radicalmente la industria de la manufactura debido a que las curvas son tan fáciles de producir como una línea recta, se pueden inclusive fabricar ciertas formas tridimensionales y el número de pasos del proceso de maquinado, en los que se requiere de intervención humana, se redujeron drásticamente. Al incrementarse el grado de automatización en los procesos de manufactura con el maquinado CNC, se pueden alcanzar grandes mejoras en la uniformidad y la calidad de los productos. Así mismo, se eliminan los errores humanos, al mismo tiempo que los operadores de la maquinaria pueden atender más tareas al mismo tiempo. Más aún, la automatización CNC provee mayor flexibilidad de manufactura, pues el tiempo necesario para modificar el programa de la máquina es bastante reducido, lo cual permite la fabricación de diferentes piezas con un mismo equipo [24].

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2.2 ANTECEDENTES DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL Las máquinas primitivas, en sus comienzos, dependían enteramente del control manual de cada función. Con frecuencia, se basaban de los músculos del hombre para hacer funcionar el mecanismo de movimiento, así como para hacer avanzar la herramienta. Uno de los primeros modelos de tornos es aquel que utilizaba un pedal para el suministro de la fuerza, dejando libres las manos del operario para hacer funcionar, detener y operar los avances longitudinales y transversales, y otras funciones. En 1947 John Parsons empezó a experimentar con la idea de generar los datos de las posiciones XY de las curvas y usarlos para controlar los movimientos de las máquinas herramientas. Posteriormente, en 1949, se otorgó un contrato a la Parsons Corporation para encontrar un método de rápida producción. En 1952, el MIT (Instituto Tecnológico de Massachusetts) demostró exitosamente un modelo de máquina con control numérico. La máquina produjo exitosamente partes con movimientos simultáneos en los ejes para el movimiento de las herramientas de corte. El MIT introdujo el término "control numérico" En 1955, los modelos comerciales de las máquinas de CN se exhibieron ante el público.y, en 1957 el CN es aceptado por la industria, instalándose muchas de éstas máquinas [23]. Hoy día el Control Numérico Computacional es una herramienta imprescindible en la industria metal mecánica, sobre todo en las encargadas de manufacturar productos desde los básicos elementales hasta los más complejos.

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2.3 DEFINICIÓN DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL. Un torno CNC es una máquina altamente automatizada capaz de realizar múltiples operaciones de maquinado con la mínima intervención humana. Las siguientes características hacen a los tornos con CNC, una máquina productiva y diferente a los tornos convencionales: Cambio automático de la herramienta, la capacidad de maquinado de herramientas de corte [32]. El control numérico computacional se puede definir de una forma genérica como un dispositivo de automatización de una máquina que, mediante una serie de instrucciones codificadas (el programa), controla su funcionamiento. Cada programa establece un determinado proceso a realizar por la máquina, con lo que una misma máquina puede efectuar automáticamente procesos distintos sin más que sustituir su programa de trabajo. Permite, por tanto, una elevada flexibilidad de funcionamiento con respecto a las máquinas automáticas convencionales, en las que los automatismos se conseguían mediante sistemas mecánicos o eléctricos complejos y a veces casi imposible de modificar. Los elementos básicos del control numérico son: El programa, que contiene toda la información de las acciones a ejecutar. El control numérico, que interpreta estas instrucciones, las convierte en las señales correspondientes para los órganos de accionamiento de la máquina y comprueba los resultados. La máquina que ejecuta las operaciones previstas. A medida que el desarrollo de la electrónica y la informática se aplica a los controladores numéricos, se potencian extraordinariamente las funciones que permiten desarrollar, simplificándolos a la vez, los procedimientos de programación y operación de las máquinas. Los CNC que se construyen hoy día, sólo conservan, de los primitivos NC, los principios básicos de funcionamiento.

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2.4 PROGRAMA DEL CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL Un programa de control numérico computacional consiste en una secuencia de instrucciones que hace que la máquina efectúe cierta operación; el proceso más común es el de maquinado. La programación del control numérico se puede hacer en un departamento interno de programación, en el taller, o puede comprarse al exterior. El programa contiene instrucciones y comandos. Las instrucciones geométricas se refieren a movimientos relativos entre la herramienta y la pieza. Las instrucciones de procesamiento se refieren a velocidades de husillo, avances, herramientas de corte, fluidos de corte, etcétera. Las instrucciones de recorrido se refieren al tipo de interpolación y la velocidad del movimiento de la herramienta o la mesa. Las instrucciones de conmutación se refieren a la posición de encendido o apagado para el flujo del enfriador, la dirección o la suspensión de la rotación del husillo, los cambios de herramienta, el avance de la pieza, la sujeción, etcétera. La programación manual de la pieza consiste en calcular primero las relaciones dimensionales de la herramienta, la pieza y la mesa, con base en planos técnicos de la parte. Las operaciones de manufactura que se harán y su orden. Se prepara entonces una hoja de programa, donde se detalla la información necesaria para efectuar la operación particular. La programación manual la puede hacer alguien que conozca el proceso particular de manufactura, y que pueda comprender, leer y cambiar los programas de la parte. Como ya están familiarizados con las posibilidades de las máquinas- herramienta y del proceso, los mecánicos especializados (con algo de adiestramiento en programación), también puede hacer la programación normal. Sin embargo, el trabajo que hay que hacer suele ser tedioso, tardado y no económico; en consecuencia, la programación manual se usa principalmente en algunas aplicaciones de punto a punto [28]. La programación de pieza asistida por computadora implica usar lenguajes de programación simbólicos, que determinan las coordenadas de puntos como esquinas, bordes y superficies de la pieza. Un lenguaje de programación es un método para comunicarse con la computadora; implica usar caracteres simbólicos. El programador describe, en este lenguaje, el componente que se va a procesar, y la computadora convierte esa descripción en comandos para la máquina de control numérico.

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Existen varios lenguajes disponibles en el mercado, tienen diversas propiedades y aplicaciones. El primero que usó declaraciones parecidas al inglés (llamado APT, de Automatically Programmed Tools, herramientas programadas en forma automática) se desarrolló a finales de la década de 1950. Este lenguaje, en sus diversas formas ampliadas, sigue siendo el más usado para programación de punto a punto y de trayectoria continua. Hoy, las piezas complicadas se maquinan con programas de maquinado con base en gráficas y dibujos asistidos por computadora. Se crea una trayectoria de herramienta en un ambiente principalmente gráfico, parecido a un programa CAD. El programa o código de la máquina (Código G) se crea en forma automática. Antes de iniciar la producción se deben verificar los programas, viendo una simulación del proceso en una pantalla, o fabricando la pieza con un material poco costoso (como aluminio, cera o plástico), y no con el material real especificado para la pieza terminada. 2.5 SISTEMAS DE UNIDADES Y MODOS DE ENTRADA Los Sistemas de Unidades son las unidades de medición que se usan en un programa CNC. Todas las máquinas entienden las unidades Métricas (milímetros, mm) y las inglesas (pulgadas, "). Hay que indicarle a la máquina CNC que unidades se están utilizando. Algunas máquinas vienen ajustadas de fábrica a pulgadas o a milímetros. Normalmente, al inicio de un programa CNC se ve; G70 especifica pulgadas y G71 especifica milímetros. Los Modos de Entrada se refieren al tipo de información coordenada que se ingresa al programa de la máquina CNC. Existen dos tipos, los cuales son: Entrada Absoluta, diseñada para el código G90, especifica la distancia desde el origen o punto cero del programa. El modo Absoluto es el más común. Entrada Incremental, designada por el código G91, especifica las distancias y direcciones usando el punto previo como un origen. La entrada incremental a veces se denomina punto-a-punto. Todos los sistemas CNC pueden conmutar ilimitadas veces en un programa desde el modo absoluto al incremental y viceversa [30].

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2.5.1 SISTEMA DEL PROGRAMA Este tiene como objetivo fundamental tomar la información suministrada por un programa de diseño gráfico, filtrarla y convertirla en ordenes de movimiento relativo, que se suministran al microcontrolador. El uso generalizado de sistemas CAD, ha llevado a perfeccionamientos importantes en la generación de programas CNC. El ordenador conoce la geometría que el diseñador ha definido, es decir, las dimensiones de un dibujo están ahí para beneficio del hombre; son repetitivas en lo que se refiere a la computadora, lo que se significa que la geometría se puede transferir al programa CAM que ajusta las medidas producidas por el diseñador a fin de obtener un nuevo conjunto de geometría, y definir la trayectoria del cortador necesaria para producir la pieza.

2.5.2 CÓDIGO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL El método tradicional de programación de las máquinas-herramienta se apoya en códigos estandarizados en forma de instrucciones de máquina (ver tabla 2.1). Desafortunadamente, los fabricantes de máquinas-herramienta no han acordado una norma universal para el lenguaje de la máquina (la G y M codificadas, etc.), y esto causa muchos problemas en el piso del taller de la fábrica; no se puede por ejemplo, transferir programas que contengan controladores de diferentes marcas. Los sistemas CAD tienen sus propios formatos individuales, y el International Graphic Exchange Estandar (IGES) se ha establecido para hacer posible que las empresas intercambien información del CAD en diferentes sistemas. Una versión abreviada y de aceptación generalizada de éste se utiliza en el Auto CAD, el formato DXF (Archivo de Intercambio de Dibujo), y la mayor parte de los sistemas CAM aceptarán un archivo DXF o IGES como entrada [35].

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N G X Y Z R A I J K F S T M

Códigos de Programación Número de Secuencia Funciones Preparatorias Comando del Eje X Comando del Eje Y Comando del Eje Z Radio desde el Centro Especificado Ángulo contra los punteros del reloj desde el vector +X Desplazamiento del Centro del Arco del Eje X Desplazamiento del Centro del Arco del Eje Y Desplazamiento del Centro del Arco del Eje Z Tasa de Alimentación Velocidad de Giro Número de la Herramienta Función Miscelánea Tabla 2.1

Descripción del código de letras [40].

El modo de dar órdenes a la máquina para que los ejecute tiene ciertas características que se debe cumplir. De esta forma la máquina ejecuta las ordenes (operaciones) de otra manera, por lo que cada orden tiene una estructura definid. A cada orden le denominamos block o bloque de programa. De manera general, cada block tiene la siguiente estructura: a)

Número de operaciones

b)

Código de orden de configuración

c)

Puntos coordenados o coordenadas

d)

Parámetros complementarios

El modo básico de comunicarse con la máquina herramienta es a través de los elementos que forman la estructura de un block de instrucciones, en donde cada uno de los caracteres alfanuméricos tiene un significado y una representación propia.

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2.6 NÚMEROS DE SECUENCIA El Número de Secuencia, también llamado código N, es el número de identificación del bloque (línea) en un programa CNC. La palabra de código común utilizada comienza con N, y es el primer código en un bloque. Muchos CNC no requieren el uso de códigos N, lo cual ayuda a liberar memoria. Sus principales beneficios son el que permiten la búsqueda fácil en programas largos y la capacidad de volver a hacer partir un programa en casi cualquier número de línea. Usualmente, el programador saltará N números entre bloques para dejar espacio para insertar posteriormente bloques olvidados o adicionales. Por ejemplo N5, N10, N15, etc. 2.7 LOS GRUPOS G Y M El torno Boxford 250 funciona mediante la ejecución de órdenes de desplazamiento y de condiciones de entorno. Las órdenes de desplazamiento corresponden a las funciones G, que tienen relación directa con los movimientos de la herramienta, así como con el desbastado de la pieza de trabajo. Por su parte, las funciones M entregan las condiciones en que se trabajará (con o sin lubricante, sentido de giro del husillo, etc.). Para la ejecución de un programa cualquiera deben activarse varias funciones G y M, las cuales se dividen en grupos, según el tipo de acción que representen. Las instrucciones de programación utilizan estos tipos principales de comandos para activar máquinas: 1. Los códigos G, son códigos de control de movimiento, por ejemplo: G0 quiere decir “moverse a toda velocidad”; G01 es “moverse a velocidad controlada”; G02 es “moverse en un arco en sentido de las manecillas del reloj”. 2. Los códigos M, son códigos complementarios de control, por ejemplo: M00 quiere decir “parar programa aquí”; M02 es “fin de programa”; M03 es “girar husillo en sentido de las manecillas del reloj”. 3. Las instrucciones particulares se especifican mediante letras de identificación, por ejemplo: X200.0 quiere decir “coordenada X 200 mm”; F150 es “avance a 150 mm por minuto”, S2000 es “husillo 2000 revoluciones por minuto”. Estas funciones se presentan en anexos A y B.

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2.8 FUNCIONES PREPARATORIAS Las Funciones Preparatorias son los códigos G. Estos son indicados por la letra G y un número de 2 dígitos. Estos códigos son las funciones más importantes en programación CNC debido a que dirigen el sistema para el procesamiento de los datos de coordenadas en una manera particular. Algunos ejemplos son: transversal rápido, interpolación circular, interpolación lineal, y taladrado. Los códigos G usados comúnmente: G00, G01, G02, G03 2.9 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL CONTROL NUMÉRICO El control numérico tiene las siguientes ventajas sobre los métodos convencionales de control de máquinas herramientas: 1. Mejora la flexibilidad de operación, así como la capacidad de producir formas complicadas con buena precisión dimensional, repetibilidad, menor pérdida por defectos, grandes tasas de producción, alta productividad y alta calidad de los productos. 2. Se reducen los costos de herramientas, porque no se requieren plantillas ni diversos soportes. 3. Son fáciles de hacer los ajustes de la máquina, con microcomputadoras e indicaciones digitales. 4. Es posible efectuar más operaciones con cada preparación, y el tiempo de inicio para preparación y el maquinado es menor, en comparación con los métodos convencionales. Además, se facilitan los cambios de diseño y se reduce el inventario. 5. Los programas pueden ser preparados rápidamente, y pueden ser llamados en cualquier momento por los microprocesadores. Una menor cantidad de trabajo en papel se puede involucrar. 6. Es posible una producción más rápida de prototipos. 7. Se requiere menor capacitación en el operador, que la de un mecánico especializado, y el operador tiene más tiempo para atender otras tareas en su área de trabajo.

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8. Se puede trabajar con programa de Diseño Asistido por Computadora. Las principales limitaciones del control numérico son: 1. El costo inicial del equipo, que es relativamente alto; 2. La necesidad de programación, así como el mantenimiento especial que requiere de personal capacitado, 3. Como las máquinas de control numérico son sistemas complejos, sus descomposturas pueden ser costosas, así que es necesario su mantenimiento preventivo. Sin embargo, con frecuencia, esas limitaciones son fácilmente compensadas con las ventajas económicas generales del control numérico. 2.10 PRECISIÓN EN EL POSICIONAMIENTO DEL CONTROL NUMÉRICO La precisión de posicionamiento en las máquinas de control numérico se define con la precisión con que la máquina puede ser ubicada en cierto sistema de coordenadas. Una máquina de control numérico suele tener una precisión mínima en el posicionamiento. Las tres medidas de precisión importantes en el posicionamiento son: la resolución del control, la exactitud y la capacidad de repetición. Estos términos se explican con mayor facilidad considerando un eje único del sistema de posición. La resolución de control se refiere a la capacidad del sistema para dividir el rango total del movimiento del eje en puntos estrechamente espaciados que puede distinguir la unidad de control. La resolución de control se define como la distancia que separa dos puntos de control adyacentes en el movimiento del eje. En ocasiones, los puntos de control se denominan puntos direccionales, debido a que son posiciones a lo largo del eje, hacia los cuales puede dirigirse específicamente la mesa de trabajo. La exactitud se define en una escena con el caso extremo, en la cual el punto objetivo se encuentra exactamente entre dos puntos de control adyacentes. La rigidez de la máquina-herramienta y el juego entre sus engranes y tornillos sin fin de avance son importantes en la precisión dimensional. Aunque en máquinas antiguas se eliminaba el juego entre engranes mediante circuitos de absorción de juego (en los que la herramienta siempre llega a una posición determinada en la pieza desde la misma dirección). Actualmente, el juego en las máquinas modernas se elimina usando tornillos sin fin de bolas precargados. También, una respuesta rápida a las señales de comando requiere 30 TESIS DE MAESTRÍA

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minimizar la fricción y la inercia, por ejemplo, reduciendo la masa de los componentes que se mueven en la máquina. 2.11 DIFERENCIAS ENTRE UNA MÁQUINA-HERRAMIENTA CONVENCIONAL Y UNA CON CNC Se dice que una máquina-herramienta es convencional, cuando utiliza los métodos tradicionales de maquinado, requiriéndose forzosamente, la presencia de un operador con cierta especialización, para mantener la máquina trabajando. La máquina con CNC, en cambio, no requiere la presencia constante del operador, ya que una vez programada, ejecuta el maquinado sin ayuda del programador, solo se le necesita para retirar la pieza maquinada y colocar la nueva por elaborar. Las diferencias más notables entre ambos tipos de equipos son debidas básicamente a elementos y dispositivos utilizados en su construcción. En la tabla 2.2 se observan diferencias entre una máquina-herramienta convencional y una máquina con CNC.

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Características a Máquina convencional comparar Forma de realizar el cambio Por el operador en forma de herramienta manual y en ocasiones por palancas de cambio Forma de control de las Por medio de instrumentos dimensiones durante el de medición y por las maquinado graduaciones de las manivelas Forma de control de las Por medio de trenes de RPM del usillo principal engranes intercambiables movidos por palancas de cambio Forma para desplazar la Trenes de engranes, mesa o los carros manivelas y tornillos sin fin Tipo de mecanismo del Flechas, tuercas partidas y husillo baleros Forma para fresar un Por el operador, contorno manipulando por lo menos dos manivelas Forma para tornear una Manual, accionando rosca palancas y manivelas La precisión de los Generalmente depende de maquinados la habilidad del operador Tiempo de maquinado Refrigeración

Máquina con CNC Automática, programada y dirigida por el control.

Por el control.

Automática, programada y comandada por el control, utiliza un servomotor y un encoder. Husillos y correderas a base de bolas o servomotores. Husillos de bolas. Programada y comandada por el control.

Programada y comandada por el control Depende de la resolución del sistema y es máxima y constante. Depende del operador Pre-cálculo y siempre constante para cada pieza. Manual accionada por un Programada y comandada interruptor y una llave por el control.

Tabla 2.2 Diferencias entre una máquina convencional y una máquina con control numérico computacional [5].

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En la tabla 2.2 se puede observar que los elementos mecánicos tradicionales, que por décadas se han utilizado en las máquinas convencionales, han sido sustituidos en los equipos con CNC, por otros elementos mecánicos y electrónicos más confiables. En otras palabras, cualquier función, por extravagante que parezca, puede ser controlada por la unidad de control numérico siempre y cuando tenga una secuencia lógica y pueda ser detectada por la máquina, de ahí que la variedad de equipos de control numérico sólo cambien en la cantidad de funciones adicionales que el equipo pueda realizar; el tamaño del quipo y la potencia que deba desarrollar. Esta última influirá determinantemente en el tamaño y potencia de los servomotores y de las unidades de control de velocidad, pero conservándose el mismo principio de funcionamiento. Así, en la industria moderna, existe una gran variedad de marcas de equipos manufacturados por diferentes países, que tienen como única diferencia el lenguaje de programación, lo anterior se debe a que a pesar de que el control numérico se ha difundido con tanta velocidad, aún no se ha generalizado el lenguaje universal de programación, sin embargo los lenguajes son muy parecidos [5]. En la técnica CNC, el programa de control es elaborado en la misma máquina. Se establece un diálogo entre el operario y el ordenador incorporado a la máquina. El medio de comprensión es un cuadro de maniobra de entrada manual que hay en la máquina. Dado que un programa de control consta de órdenes para operaciones que se repiten siempre; por ejemplo roscar, y de las magnitudes variables de las roscas, resulta que cuando se elabora un programa de control, está ya determinada la división del trabajo, es decir, lo que ha de realizar el operario y lo que recae en el ordenador. Gracias a esto, las ventajas de fabricación del control numérico son accesibles ahora también a la pequeña y mediana empresa. Los altos costos de adquisición respecto a una máquina tradicional, se justifican cuando la capacidad de almacenamiento del ordenador está adaptada al tipo de piezas y se dispone de personal calificado.

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2.12 SUMARIO En este capítulo se mencionó los modos de entrada de datos para las máquinas con Control Numérico computacional, las órdenes de desplazamiento y de condiciones de entorno, Además, se mencionan las instrucciones de programación que utiliza el torno Boxford 250. Se mencionan los grupos de códigos de control de movimiento (G) y códigos complementarios (M), así como las instrucciones particulares (X, F, S), las cuales se emplearán para realizar una comunicación con la máquina misma. En el siguiente capítulo se podrá realizar el mecanizado en el torno Boxford 250, haciendo uso de las tres formas de generar la programación de dicho torno: 1) forma manual, 2) auxiliado con programa CAD/CAM y 3) creación de trayectorias. Todo esto para la manufactura de una pieza. En este caso se maquinará una probeta con aleación de aluminio. Posteriormente se hará una valoración de cada procedimiento.

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CAPÍTULO 3 METODOLOGÍA PARA LA MANUFACTURA EN EL TORNO DE CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250 3.1 MANUFACTURA

Las máquinas-herramienta de control numérico configuran una tecnología de fabricación que de la mano de la microelectrónica, la automatización y la informática industrial ha experimentado, en los últimos años, un desarrollo acelerado y una plena incorporación a los procesos productivos, desplazando progresivamente primero al hombre y luego a las máquinas 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 Computacional (CNC), la base de apoyo a unas tecnologías de fabricación. Los procesos de manufactura son la forma de transformar la materia prima, para darle un uso práctico en la sociedad y así disfrutar la vida con mayor comodidad. Con el rápido desarrollo de nuevos materiales, los procesos de fabricación se están haciendo cada vez más complejos [40], de aquí nace la importancia de conocer los diversos procesos de manufactura mediante los cuales pueden procesarse los materiales. La fabricación con Control Numérico Computacional juega un papel protagónico. Es por eso que en el presente capítulo se dan a conocer las tres formas de generar la programación con el torno didáctico CNC Boxford 250 y sus resultados serán utilizados como referencia de validación para efectuar una comparación entre los mismos en cuanto a la facilidad de adoptarlo y poder operar dicho torno, sin previos conocimientos de máquinas-herramienta. El proceso de maquinado a desarrollar es una probeta de aluminio cuyas operaciones principales son el torneado y roscado.

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3.2 CARACTERÍSTICAS DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250 3.2.1 CARCATERÍSTICAS DEL TORNO A continuación se muestra el torno Boxford 250, el cual cuenta con las siguientes características técnicas: * Motor de 2.2 kW * Chuck de 3 mandíbulas de 125 mm de diámetro * Torreta de disco automática de 8 estaciones * Baño de fluido refrigerante (programable) * Velocidades de bobina en RPM, m/min o in/min * Configuración de la inclinación de la cama * Pre-cargado de la reacción anti bolas de los tornillos en todos los ejes. * Operación en dos ejes simultáneos * Protección transparente completamente cerrada * Panel eléctrico integrado * Velocidad de la pieza en mm/min, in/min, mm/rev, in/rev. * Capacidad de cortar acero, latón, aluminio y plástico. * Volteo sobre la cama 250 mm * Viaje del eje X 200 mm * Viaje del eje Y 265 mm * Distancia entre centros 350 mm * Bobina en reposo para pasar de 35 mm * Bobina de motor 2.2 kW * Velocidad de husillo 200-3200 rpm * Velocidad de avance de 100 % 2000 mm/min Este se encuentra en el laboratorio del Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica, el cual se utiliza para maquinar piezas mecánicas.

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Figura 3.1 Torno didáctico CNC Boxford 250

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3.2.2 REQUERIMIENTOS DEL EQUIPO DE CÓMPUTO Los requerimientos mínimos que el equipo de computo necesita para que tenga comunicación con el torno Boxford 250: Procesador. Debe utilizar un procesador Pentium II, 500 MHz o superior. Sistema Operativo. Microsoft Windows 95, Windows 98, Windows 2000 o Windows NT(SP4 o superior). 100 Mb de espacio libre en disco duro, CD ROM, entrada de disco de 3.5 in, disco flexible de 1.4 Mb. Requerimientos de memoria RAM.Windows 95 (32 Mb), Windows 98 (32 Mb), Windows 2000 (128 Mb), Windows NT (256 Mb). Gráficos. Monitor SVGA-16 bit (alta definición)- 800x600 de resolución mínima (1024x768 recomendado). Con estos requerimientos se pueden instalar los programas de CAD/CAM (Auto CAD y Máster CAM), versión 4.38 o versiones recientes, con los cuales se pueden realizar la programación y simulación del maquinado de piezas.

3.2.3 PARTES COMPONENTES DEL TORNO CNC Es conveniente familiarizarse con los nombres de las partes principales del torno con Control Numérico Computacional Boxford 250 (figura 3.2 a), así como su construcción. Esto ayudará a comprender como trabaja y el tipo de trabajo que se puede hacer en el mismo. Cabe mencionar que los nombres de cada uno de los componentes aparecen tal como se encuentran en el tablero de control.

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Figura 3.2 (a) Partes componentes del Torno didáctico CNC Boxford 250 [25].

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Figura 3.2 (b) Desplazamiento de las herramientas [25].

1. EMERGENCY STOP. El botón debe ser girado para liberarlo y permitir que la máquina inicie. Si la máquina ha realizado un ciclo de producción, este debe ser repetido desde el inicio. 2. SINGLE BLOCK. Con la máquina funcionando en modo automático controlado desde la computadora, este permite la operación de solo un block único (línea) del programa en un momento. 3. MAN. Cuando se enciende, la máquina es operada desde el panel de control (modo manual), presionando Man se apaga y la máquina es controlada por el ordenador (modo automático). Al Presionar Man otra vez, se regresa al modo de operación manual. 4. POWER RESET. Cuando la máquina está conectada y el interruptor se encuentra encendido, la máquina indica que se encuentra en movimiento, si se presiona electrónicamente reset después de que no exista señal, en ese momento se apaga la máquina. 5. FLOOD COOLANT CONTROL. Enciende o apaga la inundación refrigerante. 6. TURRET INDEX. Este indica la posición de la herramienta en el contenedor (cuando está ajustado). 7. QUILL. Amplía (mueve hacia el porta herramienta) o retrae (mueve desde el porta herramienta hacia otra parte), a el cabezal móvil neumático opcional cuando está ajustado. 40 TESIS DE MAESTRÍA

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8. CHUCK CLOSE/OPEN. Abre o cierra la mandíbula del porta herramientas, cuando el porta herramientas neumático opcional está ajustado. 9. SPINDLE CONTROLS. Estos controlan la velocidad y dirección de la rotación del husillo.

Presionando el botón SPIND REV reduce la velocidad en la misma dirección.

Presionando el botón SPIND FWD disminuye la velocidad del husillo.

Presiona este botón para detener el giro del husillo. 10. TOOL HOLDER AXIS CONTROLS. Estos cinco botones controlan el movimiento del porta herramientas, en los ejes X y Z a baja velocidad o rápida, cuando el botón RAPID es usado.

Mueve el sujetador de la herramienta en el eje X cuando se presiona.

Mueve el sujetador de la herramienta en el eje Z cuando se presiona. SWITCHES HOMING. Con la máquina en modo automático, se presionan los botones del eje x simultáneamente para iniciar la sujeción de la herramienta en el eje correspondiente (el primer eje axial).

Presionando el primer botón junto con alguno de los otros cuatro botones anteriores, se moverá la sujeción de la herramienta en la dirección indicada. 41 TESIS DE MAESTRÍA

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11. FEED SPEED CONTROL. Este proporciona el control de disminución de pasos de la herramienta de alimentación con una velocidad de 0 a 100 % en incrementos del 10%. 12. CYCLE START. Este conjunto de la máquina está en modo automático y empieza maquinando desde el programa de la computadora. 13. FEED HOLD. Actúa como un interruptor de control del programa cuando está presionado, evitando el movimiento de alguna herramienta adicional, hasta que sea presionado nuevamente. 14. AUTOMATIC LUBRICATOR. Proporciona lubricación constante a las guías y otras partes móviles. Regulando la válvula que controla el flujo. 15. ONE SHOT LUBRICATION SYSTEM. Levanta la palanca del sistema de lubricación. Permitiendo a descender su propio peso. 16. AIR PRESSURE REGULATOR. Manda aire comprimido y suministra presión a todo el sistema neumático. 17. AUTO BAR FEED CONTROL. Este controla el funcionamiento de la barra automática del equipo. 18. REAR MOUNTED COLLET CHUCK CONTROL. Moviendo la palanca, se controla en forma manual el collar del chuck. 19. LOW VOLTAGE LIGHT. Es operado por un interruptor que se encuentra en la lámpara. 20. FLOOD COOLANT FLOW REGULATOR. Controla el flujo del líquido refrigerante al inyector en el área de la pieza de trabajo. 21. Z-AXIS LIMIT SWITCH. Micro conmutador, operado por un brazo unido al poste de la herramienta, detiene todo el movimiento en el eje Z, el porta herramienta se puede mover lejos del chuck solamente en el eje Z. 22. MAINS ISOLATOR. Moviendo el switch rojo a APAGADO aísla la máquina de toda la energía eléctrica. Moviéndolo a ENCENDIDO se restaura la energía. Presionando POWER RESET, reinicia la máquina.

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23. MAINS CIRCUIT BREAKER. El resorte negro del botón AFUERA, se interrumpe el circuito debido a la sobrecarga, cortando toda la energía de la maquina. 24. E-FOOTSWITCH RESET BUTTON. Estos botones reinician la máquina eléctrica siguiendo un E-footswitch stop 25. TAILSTOCK QUILL MANUAL CONTROL. Rota el volante en forma manual, se mueve la pluma hacia a fuera del Chuck.

26.E-FOOTSWITCH. Este interruptor detiene la máquina e interruptores. Para reiniciar la máquina, el botón reset (23) debe apretarse primero [25].

3.3 DESCRIPCIÓN DE LA PIEZA A MAQUINAR Para realizar un programa se debe tener en cuenta varios factores, algunos de ellos similares a los de las máquinas convencionales. Estos se pueden dividir en geométricos y tecnológicos. Los factores de geometría de la pieza contienen datos sobre su forma y dimensiones de fabricación (plano de taller); además de: Tolerancias Acabado superficial Origen de movimientos Superficie de referencia, etc.

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Los factores tecnológicos hacen referencia a: Material de la pieza a mecanizar (propiedades mecánicas) Tipo de mecanizado Velocidad de corte Profundidad de pasadas Revoluciones de la pieza o herramienta Lubricante Utillaje, etc.

3.3.1 PLANO DE LA PIEZA La pieza a maquinar es una probeta de aluminio comercial, cuyas dimensiones están dadas en milímetros y se observa en la figura 3.3. En el sistema CAD (diseño asistido por computadora), la pieza que se desea maquinar se diseña en el ordenador con herramientas de dibujo y modelado sólido. Posteriormente el sistema CAM (manufactura asistida por computadora) toma la información del diseño y genera la ruta de corte que tiene que seguir la herramienta para fabricar la pieza deseada; a partir de lo anterior se crea automáticamente el programa de maquinado, el cual puede ser introducido a la máquina mediante un disco. Dichas probetas serán utilizadas en un equipo didáctico para pruebas de tracción. Estas pueden tener un acabado fino para que se puedan apreciar en su análisis de ensayos, el tipo de rosca es estándar, ya que el equipo al cual se somete la probeta así lo requiere.

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8

8 ANSI

R=1

8 ANSI

8

6

Detalle A 20

40

80

1 8

40

20

P P=1.25 h=0.6495*P

° 95

Detalle A 1

Probeta

1

Aluminio

Nº de Piezas

Designación

Pieza Nº

Material

10 * 220 Medidas bruto

Figura 3.3 Plano de taller Antes de empezar a confeccionar un programa de mecanizado se debe conocer bien el trabajo que se va a realizar en el torno y las dimensiones y características del material de partida, así como la cantidad de piezas que componen la serie que hay que mecanizar. Con estos conocimientos previos, se establece el sistema de fijación de la pieza en el torno, las condiciones tecnológicas del mecanizado en cuanto a velocidad de corte, avance y número de pasadas.

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3.3.2 Selección de la herramienta La máquina de Control Numérico Computacional cuenta con una torreta porta herramientas (figura 3.4 a) en la cual van instaladas ocho de ellas: 1. Para torneado con giro a la izquierda 2. Taladro central 3. Para torneado con giro a la derecha 4. Taladro 5. Para roscado exterior 6. Taladro 7. Herramienta para tronzar 8. Buril para interiores De las cuales, según su posición, se seleccionan de acuerdo a la función que se va realizar.

Figura 3.4 (a) Torreta porta herramientas

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Figura 3.4 (b) Posición de las herramientas. Herramientas para exteriores: 1, 3, 5, 7. Herramientas para interiores: 2, 4, 6, 8. [25].

El tiempo empleado para llevar las herramientas a la posición de corte es parte del tiempo de máquina. Este tiempo puede ser reducido teniendo las herramientas en posición y secuencia adecuada para su uso y también siempre que sea posible hacer cortes múltiples o combinados. Para este caso se van a emplear las siguientes herramientas: a) herramienta # 3, para desbastar con corte a la derecha, b) herramienta # 5, para roscar exteriores y, c) herramienta # 7, para tronzar. 3.3.3 SELECCIÓN DE VELOCIDAD DE CORTE

La velocidad de corte (Vc) recomendada para diversos materiales aparece en la tabla 3.1. Estas velocidades las han determinado los productores de metales y fabricantes de herramientas de corte como las más convenientes para la larga duración de la herramienta y el volumen de producción. A cada revolución de la pieza que se trabaja, pasa por su perímetro una vez por la cuchilla del útil correspondiente, la velocidad de corte constituye una medida de la rapidez del movimiento de corte, esta será entonces: 47 TESIS DE MAESTRÍA

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Ecuación

3.1

En donde: es la velocidad de corte de la herramienta en metros por minuto es la constante pi (3.14159) es el diámetro de la pieza a tornear número de revoluciones que aplicaremos al torno , es el conversor de metros a milímetros de la velocidad de corte Para este caso, se tienen como datos, d=10 mm, n= 1900 rev/min, sustituyendo los valores en la ecuación 3.1, obtenemos:

Y de acuerdo a la tabla 3.1, se puede tomar el valor de 61 m/min, la máquina misma obtiene automáticamente el valor.

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Material Acero de máquina Acero de máquina Hierro fundido Bronce

REFRENTADO, TORNEADO, Desbastado Pies/min m/min 90 27

Aluminio

RECTIFICACIÓN Acabado Pies/min m/min 100 30

Roscado Pies/min m/min 35 11

70

21

90

27

30

9

60

18

80

24

25

8

90

27

100

30

25

8

200

61

300

93

60

18

Tabla 3.1 Velocidades de corte [33].

3.3.4 AVANCE DEL TORNO. El avance de un torno se define como la distancia que avanza la herramienta de corte a lo largo de la pieza de trabajo por cada revolución del husillo. Por ejemplo, si el torno está graduado por un avance de 0.008 pulg/seg (0.20 mm/min), la herramienta de corte avanzará a lo largo de la pieza de trabajo 0.008 pulg/seg (0.20 mm/min) por cada vuelta completa de la pieza.

Material Acero de máquina Acero de herramienta Hierro fundido Bronce Aluminio

DESBASTADO Pulgadas Milímetros 0.010-0.020 0.25-0.50

ACABADO Pulgadas 0.003-0.010

Milímetros 0.07-0.25

0.010-0.020

0.25-0.50

0.003-0.010

0.07-0.25

0.015-0.025

0.40-0.065

0.005-0.12

0.13-0.30

0.015-0.025 0.015-0.030

0.40-0.65 0.40-0.75

0.003-0.010 0.005-0.010

0.07-0.25 0.13-0.25

Tabla 3.2 Avances para diversos materiales con el uso de herramientas para alta velocidad [33].

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Siempre que sea posible, sólo se deben hacer dos cortes para dar el diámetro requerido: un corte de desbastado y otro de acabado. Dado que la finalidad del corte de desbastado es remover el material con rapidez y el acabado de superficie no es muy importante, se puede usar un avance basto. El corte de acabado se utiliza para dar el diámetro final requerido y producir un buen acabado de superficie; por lo tanto, se debe utilizar un avance fino. Para maquinado general, se recomiendan un avance de 0.010 a 0.015 pulg. (0.25 a 0.38 mm) para desbastar y de 0.003 a 0.005 pulg (0.076 a 0.127 mm.) para acabado fino. En la tabla 3.2 se indican las velocidades recomendadas para cortar diversos materiales cuando se utiliza una herramienta de acero de alta velocidad. Por lo tanto, en base a los datos obtenidos de la ecuación 3.1, se puede considerar un avance de 0.75 mm para el material a mecanizar. 3.3.5 SELECCIÓN DEL REFRIGERANTE Algunas operaciones de corte se realizan en seco, es decir, sin la aplicación de un fluido de corte o, como algunas veces se llama, sin refrigerante. El fluido básicamente cumple tres funciones principales: 1. Lubricación: A velocidades donde se forma una acumulación en el borde en ausencia de un lubricante, el inicio de la acumulación se desplaza a velocidades más altas. A velocidades mayores, donde se desarrolla una zona de adhesión, la longitud de ésta se reduce. En todas las velocidades, el acceso del lubricante a la cara del flanco es posible y se reduce la fricción. El efecto combinado es que, en general, el acabado superficial también mejora. 2. Enfriamiento: Como el cortante está altamente concentrado y la zona de corte se mueve extremadamente rápido, las temperaturas en la zona de corte no se afectan. Sin embargo, un fluido de corte reduce la temperatura de la viruta a medida que deja la zona secundaria de corte, y enfría la pieza de trabajo. También puede reducir la temperatura volumétrica de la herramienta. Aunque las relaciones no son en manera alguna sencillas, a menudo se encuentra que un fluido de corte disminuye suficientemente las temperaturas para permitir el corte a velocidades mayores. No obstante, en la mayoría de los casos es esencial que el fluido se aplique a la zona de corte.

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3. Remoción de la viruta: Los fluidos empleados en el corte cumplen una función adicional y algunas veces extremadamente importante: retiran las virutas de la zona de corte y evitan que la herramienta se tape o se atasque [22]. Los lubricantes de corte y refrigeración para trabajar en las máquinas-herramienta diversos materiales, se muestran el la tabla 3.3. Para el caso particular del mecanizado, se emplea el refrigerante de clase 4 o 5, porque ayuda a la disipación del calor generado durante la creación de la viruta y protege a la pieza, herramienta y máquina, contra la oxidación y corrosión.

Material a trabajar

Clase de trabajo Tornear

Taladrar

Fresar

Acero Inoxidable

3

3,6

3

Aluminio y sus aleaciones

4,5

5

5

Cuproaluminio, bronce , latón

1,2

2

2

Materiales plásticos

1

1

1

Tabla 3.3 Tipos de lubricantes para maquinados [10].

Clave de los lubricantes y refrigeración de la tabla 3.3 1= en seco 2= En agua con 5 % de aceite soluble (taladrina) 3= Agua con 8 % de aceite soluble (taladrina) 4= Petróleo 5= Petróleo con 10 % de aceite mineral 6= Aguarrás 40 %, Azufre 30%, Albayalde 30 %

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Una utilización adecuada del lubricante, es de suma importancia para las operaciones de corte de los metales; muchos fracasos en el rendimiento de las herramientas y calidad del trabajo producido, se deben a no emplearse el lubricante que corresponde en función del material a trabajar [10]. 3.4 PROCESO DE MAQUINADO EN EL TORNO BOXFORD 250 CON CNC El proceso de maquinado comprende todo el conjunto de datos que el control necesita para la mecanización de la pieza. Al conjunto de informaciones que corresponde a una misma fase del mecanizado se le denomina bloque o secuencia, que se numeran para facilitar su búsqueda. El programa contiene todas las instrucciones necesarias para el proceso de mecanizado. A continuación, y a modo de establecer algún tipo de comparación, se detallan tres formas de programar el torno didáctico Boxford 250 con CNC, el primero utilizando modo manual, el segundo auxiliado por los programas de CAD/CAM, en este caso Auto CAD y Máster CAM y el tercero utilizando Creación de Trayectorias. Para cuestión de análisis, los datos de entrada que se piden son: a) tipo de material, b) dimensiones de la pieza y c) unidades a trabajar. Para el tipo de material, se sabe que es aluminio comercial, las dimensiones de la pieza, son las que se aprecian en la figura 3.3, mientras que las unidades a trabajar son mm.

3.4.1

UTILIZANDO MODO MANUAL

El procedimiento adoptado en programación manual, es escribir a mano en códigos ISO de máquina, cada detalle del proceso necesario, especificando la secuencia de operaciones, coordenadas de cada punto, funciones de máquina, velocidades de avance, etc. El programa se teclea entonces en la computadora de la máquina, la cual contiene medios para ver la trayectoria programada del cortador, para comprobar si existen errores antes de que se inicie el corte se hace la simulación, ver anexo c.

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Habilitar material

Obtener cálculos de velocidad de corte, profundidad, avance

Elegir herramienta y configurar tamaño Billet 10 x 220

Número de pasadas

Cilindrar a 8 mm, utilizando interpolación lineal, con herramienta # 1

Número de pasadas

Cilindrar parte central de la probeta a 6 mm con herramienta # 1 y tronzar extremo final con herramienta # 7

Número de pasadas

Parar la máquina y colocar probeta manualmente, roscando con paso 1.25 mm, extremo izquierdo, con herramienta # 5

Parar la máquina y hacer cambio de la probeta, roscando extremo derecho, con herramienta #5

Fin

Figura 3.5 Diagrama de flujo de un proceso de maquinado

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El método tradicional de programación del torno con Control Numérico Computacional es con códigos en forma de instrucciones de máquina (ver anexos A y B). De acuerdo al modelo en forma manual, primeramente se realiza el plano de la pieza (figura 3.3), con sus respectivas dimensiones, con ello se buscan las herramientas adecuadas para su manufactura. Con respecto al material a maquinar, se utilizó aluminio comercial. Las tablas 3.1 y 3.2, hacen referencia a velocidad de corte y velocidad de avance, respectivamente, de la herramienta de corte. Para este caso se obtuvieron los siguientes datos: Vc = 93 m/min, una velocidad de avance de 0.75 mm/rev. La fuerza de corte para aleaciones de aluminio puede variar ampliamente a bajas velocidades (30 a 60 m/min). Posteriormente, con la ayuda de los anexos A y B (de códigos G y M), se introducen en la computadora todos los códigos necesarios para la programación, para que la misma máquina los pueda interpretar. De esta manera puede ser posible la simulación, la cual es vista en la computadora instalada con el torno. Cabe hacer mención que el material se posiciona manualmente entre centros para efectuar su maquinado y el tipo de rosca a elaborar es tipo estándar, porque así lo requiere el equipo de ensayos a tensión.

54 TESIS DE MAESTRÍA

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3.4.2

UTILIZANDO MÁSTER CAM AUXILIADO CON CAD

Máster CAM es un paquete computacional de apoyo a la generación de programas de control numérico, permite la generación de geometría y rutas de herramientas en dos y tres dimensiones, ofreciendo soluciones para torneado, fresado, electroerosión por alambre y diseño en 3 dimensiones. Con el programa Máster CAM, versión 4.38 (Manufactura Asistida por Computadora), se logra diseñar y mecanizar desde el editor de operaciones. De acuerdo con la siguiente lista de actividades, es posible realizar la simulación y manufactura de una pieza a maquinar. No.

DESCRIPCIÓN

1

Abrir programa Máster CAM, incorporado en la máquina misma.

2

Localizar las propiedades de la máquina a utilizar para el maquinado

3

En cuadro de diálogo para selección de parámetros, definir características del chuck, tipo de material que se emplea, en este caso aluminio y herramienta de corte. Realizar el dibujo en Auto cad, el cual se encuentra incorporado en el mismo programa, tomando en cuenta las dimensiones del material en bruto. Posicionar el material manualmente en la máquina, debidamente centrado.

4 5 6 7 8

Preparar la geometría para el roscado, en ambos lados de la pieza .Esta se llevará a cabo al final del maquinado Al efectuarse el roscado del primer extremo, se procederá a realizar el cambio manualmente para continuar con el segundo extremo. Efectuar la simulación, observando el trayecto de la herramienta y acabado de la misma. Tabla 3.4 Lista de actividades para emplear el método Máster CAM auxiliado por CAD

A continuación se muestran los pasos para realizar la mecanización de una pieza, con este programa se diseña y se genera el código, el cual va a ser interpretado por el torno CNC y así llevar a cabo el mecanizado de dicha pieza. 55 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 1: Primeramente se localizan las propiedades de la máquina. 1. < Properties < files < cambiar en Group name a Machine provt 2. Cambiar en Toolpath name a: Machine_provet.NC 3. < Tool Settings < From material como método de cálculo de velocidad de corte 4. < Select, desde la barra desplegable Source: < Lathe library < Aluminum 5050 < Ok

Figura 3.6 Propiedades de la máquina

Actividad 2: Se definen los perfiles de chuck y herramienta: 1. < Stock setup < Left spindle < Parameters 2. Se introducen las dimensiones del material en bruto: El diámetro (OD): 10 y la longitud: 200 Si se van a realizar perforaciones se introduce el diámetro de la broca seleccionando ID 3. Introducir en Base Z: 1.0 (la distancia a la cual estará ubicada la herramienta de corte) < On right face, que le indica a Máster CAM que el material está a la izquierda para comenzar a cortarlo en la dirección -Z 4. < Preview < Enter 5. < Ok

56 TESIS DE MAESTRÍA

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Figura 3.7 Perfiles del chuck y herramienta

Actividad 3: Se definen las características del chuck 1. < Left Spindle < Parameters, llenar como se indica:

Figura 3.8 Características del chuck

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2. < Ok cuando termine 3. En Display Options: des seleccionar Right stock porque el chuck gira hacia la izquierda 4. Deberá observarse un cuadro de diálogo como el que se muestra 5. < Ok

Figura 3.9 Cuadro del diálogo para seleccionar parámetros

58 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 4: Definir los parámetros de mecanizado, crear la trayectoria de careado, con husillo girando a la izquierda, porque la herramienta a utilizar es con giro izquierdo. Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath Elegir una herramienta de corte por la derecha: T0101 R0.8 < Face parameters < Use stock para indicarle a Máster Cam el material que será removido Introducir 0.01 en el campo Finish Z Introducir 2.0 en Entry amount Seleccionar la opción: Rougt stepover , esto se aprecia en figura 3.13. Deseleccionar Finish stepover, ya que no se requiere una pasada de acabado fino Introducir 1.0 en Overcut amount Introducir 0.2 en Stock to leave, < Ok Actividad 5: Realizar el dibujo tomando en cuenta las dimensiones del material Hacer los trazos comenzando por el centro de la pieza (1/4 de la pieza, vista seccional), tomando en consideración el diámetro de la pieza.

Figura 3.10 Trayectoria de careado

Actividad 6: Preparar la geometría para carear Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.12 < Ok cuando termine 59 TESIS DE MAESTRÍA

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Figura 3.11 Seleccionar puntos a encadenar

Actividad 7: Preparar la herramienta de corte para carear 1.- Introducir los valores como se indica:

Figura 3.12 Propiedades de la herramienta de corte para carear

60 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 8: Preparar la geometría para roscar Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Face Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.13 < Ok cuando termine

Figura 3.13 Seleccionar la geometria para roscar

Actividad 9: Seleccionar la herramienta adecuada:

Figura 3.14 Seleccionar herramienta adecuada para roscar

61 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 10: Preparar la herramienta para roscar 1.- En Thread shape parameters-> 2.- Introducir los valores como se indica:

Figura 3.15 Introducir valores en cuadro de dialogo para roscar

3.- En Thread cut parameters-> 4.- Introducir los valores como se indica:con quince pasadas(realizar corte burdo ).

Figura 3.16 Determinar el número de pasadas

62 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 11: Preparar la geometría para cilindrar angularmente Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura, ya que inicialmente todas las herramientas son montadas en la torreta de la máquina. Ok cuando termine

Figura 3.17 Geometría para el cilindrado

Actividad 12: Seleccionar la herramienta adecuada->OK: para este proyecto es la herramienta T1717, Ya que es la más idónea para trabajar con el roscado.

Figura 3.18 Selección de herramienta adecuada para el roscado

63 TESIS DE MAESTRÍA

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1.-En Groove shape parameters->: siendo el ángulo de ataque de 90º, para el corte de los radios.

Figura 3.19 Determinar el ángulo de la ranura

2. - En Groove rough parameters->:

Figura 3.20 Seleccionar tipo de acabado suave

Actividad 13: Preparar la geometría para cilindrar Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.21 < Ok cuando termine 64 TESIS DE MAESTRÍA

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Figura 3.21 Encadenar los puntos para cilindrar

Actividad 14: Seleccionar la herramienta para realizar el corte 1.- La herramienta será la misma que el paso anterior, T1717 R0.1 2.- En geometry: seleccionar el sentido del corte: izquierdo, porque una vez mecanizada la pieza, se montara a un equipo de pruebas de tensión, en el cual se sujetara con tuercas a los extremos de dicha probeta.

Figura 3.22 Seleccionar sentido de corte

65 TESIS DE MAESTRÍA

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Actividad 15: Preparar la geometría para cilindrar angularmente la segunda fase Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Pungle Rough Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura < Ok cuando termine

Figura 3.23

Cilindrar la segunda fase, con la misma herramienta

Actividad 16: Selección de la herramienta y el ángulo de corte: 1.- La herramienta sigue siendo la misma-> 2.- El ángulo no cambia, es igual al anterior-> 3.- En Groove walls->Smooth 3.-OK Actividad 17: Preparar la geometría para cilindrar angularmente la segunda fase Desde el menú: < Toolpaths < Lathe Thread Toolpath Encadenar: < Partial chaining mode Seleccionar el primer punto y el último a encadenar como se muestra en la figura 3.23 < Ok cuando termine

66 TESIS DE MAESTRÍA

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Figura 3.24 La figura muestra los puntos a encadenar, para realizar el cilindrado

Actividad 18: Selección de la herramienta: 1.- La herramienta sigue siendo la misma, por ser una pieza simétrica

Figura 3.25 tipo de herramienta para roscar

Actividad 19: Preparar la herramienta para roscar 1.- En Thread shape parameters-> 2.- Introducir los valores como se indica en la figura 3.26 3.- OK

67 TESIS DE MAESTRÍA

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Figura 3.26 Intoducir valores para el roscado

Actividad 20: Maquinar la pieza: 1.- Seleccionar todas las actividades-> 2.- En verify select operations-> 3.- Para ver la herramienta de corte: Poner en simulate tool and holder->

Figura 3.27 Seleccionar simular todas las actividades

68 TESIS DE MAESTRÍA

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4.- Simular->: para observar la pieza a obtener

Figura 3.28 Modelo de la pieza obtenida, mediante la simulación

Mediante la simulación, se genera el Código para la mecanización de la pieza (probeta). Después de probado, el programa de la pieza está listo para la ejecución en modo automático.

Generación del código Maquinado de la probeta [GM HEADER] type=lathe machine=250PC machine serial no=L_8167 units=mm tailstock=0 material=ALU(2011)/BRASS(CZ121M),6.29 bar size=10,0,220 bar shape=CYL-Z last operation=SIMULATE program length=83 T1=1= T=1 P=1 D=10.000 C=20.000 A=55.000 SD=12.000 SH=50.000 O=32.000 QD=0 XC=1.000 YC=1.000 PAS=3 DIR1=CCW TR1=0.000 WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.980 Z=4.110 69 TESIS DE MAESTRÍA

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T2=7= T=11 P=7 D=2.100 C=4.500 C2=4.500 SD=16.000 SH=50.000 QD=0 XC=0.200 YC=4.500 SD2=1.800 SH2=14.500 PAS=3 DIR1=CCW TR1=0.000 WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.540 Z=4.470 T3=3= T=2 P=3 D=10.000 C=20.000 A=55.000 SD=12.000 SH=50.000 O=32.000 QD=0 XC=1.000 YC=1.000 PAS=3 DIR1=CCW TR1=0.000 WEAR1=0.000 FIT=YES X=71.750 Z=-16.410 estimated time=00:01:16 COMENTARIO: Máster CAM versión 4.38comienza a generar la codificación en forma automática, cuando inicia la simulación en el programa de la máquina misma.

[PROGRAM] (CAM versión 4.38) G21 COMENTARIO: Primeramente realiza un careado a la pieza a maquinar, utilizando la herramienta # 1 a una velocidad constante de 225 m/min.

T01 X30 Z10 G96 M04 S225 G99 G00 Z0 X11 G01 X-1 F0.09 G00 Z1 COMENTARIO: Se realiza un desbaste, reduciendo el diámetro de la pieza con la misma herramienta (# 1).

X12 X9 G01 Z-202.6 X12.5 G00 X18 G01 X12 G00 X14 Z-60 70 TESIS DE MAESTRÍA

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G01 X9 X7.11 Z-61.8 Z-139.796 X11 COMENTARIO: Finaliza con la herramienta # 1y realiza el cambio de herramienta (# 7), para llevar a cabo la reducción del diámetro central de la pieza.

X12 G96 M04 S250 G00 X13.5 Z1 X8 G01 Z0 F0.05 Z-60 X6.11 Z-61.8 X6.1 Z-138.9 F0.09 X6 Z-139 F0.05 G02 X8 Z-140 R1 G01 Z-200 Z-202.6 X11 G00 X30 M05 Z10 T07 G96 M04 S225 G00 Z-62.6 X12.5 G01 X6.368 F0.09 G00 X8 X11.45 Z-63.1 G01 X6.1 G00 X6.95

71 TESIS DE MAESTRÍA

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COMENTARIO: Cuando finaliza con la herramienta # 7, efectúa el cambio a herramienta (# 3), para realizar los radios, los cuales hacen la diferencia de diámetros.

X30 M05 Z10 T03 G96 M04 S250 G00 Z-65.5 X10.5 G01 X 6 Z -61 G03 X 8 Z -60 R1 F0.05 G00 X30 M05 Z10 T07 G96 M04 S250 (OK) G00 Z-63.1 X10.5 G01 X6 Z-139 COMENTARIO: Nuevamente se realiza el cambio de herramienta, (# 7) y partiendo desde la posición inicial, se lleva a cabo la última pasada a la pieza maquinada, con la herramienta # 1.

G00 X11 Z-202.2 X10 G01 X8 Z-202.1 X-1 G00 X30 M05 Z10 T01 M30

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MAQUINADO DE ROSCAS [GM HEADER] type=lathe machine=250PC machine serial no=L_8167 units=mm tailstock=0 estimated time=00:01:23 material=ALU(2011)/BRASS(CZ121M),6.29 bar size=8.00,0.00,61.50 bar shape=CYL-Z start number=10 last operation=SIMULATE program length=36 material removed=142.12 T1=1= T=1,P=1,D=10.000,C=20.000,A=55.000,SD=12.000,SH=50.000,O=32.000, QD=0,XC=1.000,YC=1.000,PAS=3,DIR1=CCW,TR1=0.000,WEAR1=0.00 0,FIT=YES,X=71.980,Z=4.110 T2=5= T=4,P=5,D=3.200,C=4.000,A=30.000,SD=16.000,SH=50.000,QD=0,SD2=1 2.000,SH2=18.000,PAS=3,DIR1=CCW,TR1=0.000,WEAR1=0.000,FIT=Y ES,X=71.600,Z=2.590 COMENTARIO: Haciendo uso del mismo programa de Máster CAM versión 4.38 se comienza a generar la codificación en forma automática, cuando inicia la simulación en el programa de la máquina misma.

[PROGRAM] (CAM versión 4.38) G21 COMENTARIO: Primeramente se realiza un careado a la pieza a maquinar, utilizando la herramienta # 1 a una velocidad constante de 225 m/min. Verificando de esta manera las dimensiones proporcionadas por el usuario. 73 TESIS DE MAESTRÍA

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T01 X30 Z10 G96 M04 S225 G99 G00 Z0 X9 G01 X-1 F0.09 G00 Z1 X10 X15.5 COMENTARIO: Cuando finaliza la operación con la herramienta # 1, hace el cambio a herramienta # 5 para realizar el roscado externo, con un paso de rosca de 1.25mm.

X10 G96 M04 S250 G00 X8 G01 Z0 F0.05 Z-20 Z-60 X9 G00 X30 M05 Z10 T05 G97 M04 S350 G00 Z2 X10 G76 P20060 Q50 R0.05 G76 X6.62 W-22.5 P690 Q179 F1 COMENTARIO: Finaliza la operación de la herramienta # 5, y concluye su tarea encomendada, retirando la torreta a su posición inicial.

G00 X30 M05 Z10 T01 M30 74 TESIS DE MAESTRÍA

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3.4.3

UTILIZANDO CREACIÓN DE TRAYECTORIAS

La función de este método se apoya principalmente en la creación de líneas o trayectorias, formando la geometría deseada con sus respectivas dimensiones, para lo cual pone de manifiesto la ejecución de las operaciones por efectuar. Considerando las dimensiones de la figura 3.3, la cual es creada con el Diseño Asistido por Computadora (CAD) versión 2000, el cual viene incorporado con la máquina misma. Se procede a realizar el contorno geométrico de la pieza por medio de líneas, construyendo totalmente la geometría deseada. Todo esto se puede llevar a cabo, siguiendo el orden de una lista de instrucciones. La secuencia para la elaboración de la pieza a manufacturar en el torno Didáctico con Control Numérico Computacional Boxford 250, aplicando creación de trayectorias, es la siguiente: No. 1 2

DESCRIPCIÓN Abrir el programa Boxford V10 CAD/ CAM, instalado en la computadora para el torno Boxford 250, y elaborar el diseño de la pieza a manufacturar. Especificar el tipo de material que se va a utilizar, ya que el mismo programa despliega las opciones: acero, aluminio, plástico.

3

Especificar las dimensiones de la pieza a maquinar

4

Poner a punto la máquina y la herramienta

5

Refrentar la cara de la pieza

9

Trazar línea de coordenada(X = 0, Z = 0) hasta(X = 0, Z = 8) para refrentar la sección frontal de la pieza. Desbastar la pieza a todo lo largo de su longitud, para obtener el diámetro de 8 mm. Desbastar la parte central de la pieza, creando un radio de r = 1.00 mm y diámetro de 6 mm Simular el proceso de maquinado, para verificar el acabado deseado

10

Generar la codificación para ejecutar físicamente el maquinado de dicha pieza.

6 7 8

Tabla 3.5 Lista de instrucciones para creación de trayectorias

75 TESIS DE MAESTRÍA

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PASOS PARA GENERAR EL PERFIL DE LA PROBETA 1. AL abrir el programa Boxford V 10 CAD/CAM, instalado en la computadora. Se despliega la siguiente pantalla de la figura 3.32, y se procede a seleccionar nuevo documento de CAD.

Figura 3.29 Menú principal del programa

2. Especificar el billet (material de trabajo) de 10 mm de diámetro y una longitud de 200 mm, considerando que el material a trabajar es aluminio.

Figura 3.30 Especificación de material a trabajar

76 TESIS DE MAESTRÍA

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3. Trazar una línea de la coordenada x = 0, z = 0 hasta x = 0, z = 8 para carear la parte frontal, la cual debe ser plana y perpendicular a su propio eje, por lo cual se refrenta ésta antes de proceder el maquinado.

Figura 3.31 Dimensiones para refrentar la pieza muestra

4. Utilizando la herramienta # 3 para cilindrar, se realiza el desbaste a lo largo de la longitud, obteniendo un diámetro de 8 mm.

Figura 3.32 Trazado de líneas para generar roscado

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5. El adelgazamiento central de la barra se crea de 1mm de radio para que la parte central obtenga un valor de 6 mm, comienza en x = 8, z = -60 hasta x = 6, z = -61.

Figura 3.33 Incorporación de valores para el adelgazamiento de la pieza muestra

6. Se traza una línea recta desde x = 6, z = 61 hasta x = 6, z = -139.

Figura 3.34 Formación de redondeo en el primer extremo

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7. Se realiza el segundo redondeo radio = 1mm. Desde x = 6, z = -139 hasta x = 8, z = -140.

Figura 3.35 Formación de redondeo en el segundo extremo

8. El trazo de la parte recta del extremo posterior se realiza con una línea desde x = 8, Z = -140 hasta x = 8, z = -180.

Figura 3.36 Trazado de línea en extremo posterior

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9. Realizar el roscado de la parte final con un paso de rosca de 1.25mm de acuerdo al diámetro de 8 mm, desde x = 8, z = -180 hasta x = 8, z = 200. Cabe mencionar que el cambio para roscar el otro extremo se hace en forma manual.

Figura 3.37 Trazado para elaboración de roscado

10. En la barra de menú principal, File ejecutar Process Billet para generar el código G y M, y posteriormente ejecutar la simulación del maquinado.

Figura 3.38 Módulo para generar código G

80 TESIS DE MAESTRÍA

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11. Seleccionar el material con el cual se realizará la pieza y verificar las dimensiones del Billet.

Figura 3.39 Verificando dimensiones

12. Elegir donde se guardara el archivo ejecutable de códigos G y M

Figura 3.40 Ejecutando códigos G y M

81 TESIS DE MAESTRÍA

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13. Ejecutar la simulación para verificar que no existan errores en el maquinado.

Figura 3.41 Simulación de manufactura

Cabe hacer mención, que al realizarse la simulación en el programa Máster CAM, se genera la codificación del maquinado, la cual es exactamente la misma que se observa en la página 69.

Figura 3.42 Perfil de la probeta

82 TESIS DE MAESTRÍA

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3.5 SUMARIO En este capítulo se presentaron los tres modelos para la programación del torno didáctico Boxford 250, se puede apreciar la facilidad o lo complejo que resulta de trabajar con cada uno de ellos, observando las ventajas y desventajas de los mismos. El código que se genera para el maquinado de la pieza es el mismo para los tres casos, es por esa razón que no se escribió para cada uno de los casos. Así mismo cabe mencionar que para cada uno de estos procedimientos se debe contar con un conocimiento básico de máquinas-herramienta y de Control Numérico Computacional. En el siguiente capítulo se realiza una comparación de resultados, sobre cuál método es recomendable para la enseñanza del personal no experto en programación.

83 TESIS DE MAESTRÍA

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CAPÍTULO 4 EVALUACIÓN DE RESULTADOS 4.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES DE LOS PROGRAMAS UTILIZADOS Las unidades de control de la máquina con Control Numérico Computacional tienen medios para almacenar datos, es decir memoria. Esta característica hace posible que el contenido de la memoria pueda ser leída. De ahí en adelante, la operación de la máquinaherramienta se puede controlar desde la memoria cada vez que el componente se maquine. También el operador puede editar el programa ahí mismo para corregir errores menores. Los tres modelos presentados en este trabajo de tesis producen un archivo para que el usuario de la máquina lo use como base para el programa de Control Numérico Computacional por transferencia directa al programa que genera el código de la máquina. Según sea el método que se utilice, será necesario que el usuario verifique que se siga el procedimiento correcto en la preparación para realizar el maquinado con buena calidad. En este capítulo se presentan los resultados obtenidos de la evaluación de los tres modelos para programar el torno didáctico con Control Numérico Computacional Boxford 250: Manual, Auxiliado con programas de CAD/CAM y Creación de trayectorias. Con la finalidad de corroborar la efectividad de estas técnicas en el mecanizado de una pieza de aluminio, para este caso una probeta con dimensiones ya especificadas en el capítulo 3. El torno didáctico Boxfrod 250 con CNC tiene la capacidad de interpretar instrucciones de código que pueden ser generadas por medio de programas escritos por un usuario o generados por herramientas CAD/CAM. Dichas instrucciones están formadas por combinaciones de letras, números y ciertos símbolos, los cuales, al ser escritos en un orden lógico y de forma predeterminada, permiten el maquinado de una cierta pieza. Este tipo de código dota a la máquina de una elevada seguridad, precisión y flexibilidad de funcionamiento. Los programas CNC están formados por dos tipos de código: El código G, el cual está formado por funciones preparatorias que gobiernan los movimientos de los ejes de la máquina (movimientos rápidos, avances, pausas y ciclos especiales); y el código M que está formado por funciones auxiliares que activan procesos tales como, control del líquido enfriador, conexión y dirección del husillo, cambio de herramienta, fin del programa, entre otras.

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Los sistemas de CNC se gobiernan por un conjunto de aproximadamente 70 instrucciones de código G y 15 instrucciones de código M. La cantidad de instrucciones G y M puede llegar a variar dependiendo del fabricante del sistema CNC. Para el caso del presente trabajo se contempla que contenga las instrucciones mínimas requeridas para llevar a cabo tareas de torneado, para lo cual se calcula que se requieren 15 instrucciones tipo G y 5 instrucciones tipo M. Las instrucciones contempladas de tipo G, abarcan códigos relacionados con la interpolación lineal y circular, ciclo de roscado, tipo de unidades, por mencionar algunas. Mientras que las instrucciones contempladas de tipo M abarcan acciones como activación del husillo, cambio de herramienta y fin de programa, entre otras. 4.2 PROGRAMACIÓN MANUAL DE UN CNC La aparición del Control Numérico Computacional ha hecho posible la introducción de datos de una manera más cómoda mediante el uso de otros periféricos conectados a la máquina misma. Uno de ellos es el panel de control que tiene incorporado el torno didáctico Boxford 250. Dicho controlador lleva incorporado una serie de selectores y pulsadores que abarcan todas las informaciones necesarias para el funcionamiento en el maquinado de piezas. Este panel se emplea para realizar modificaciones sobre los programas introducidos previamente en memoria, para programar en forma manual y para controlar y verificar el funcionamiento del torno. Básicamente, en la programación a pie de máquina, se introducen las instrucciones a través de un teclado de forma manual incorporado en el equipo, no sin antes conocer todos los datos que se solicitan para realizar la programación con sus respectivos códigos (G y M). La interacción que permite el uso del teclado con el panel de control es que facilita la corrección de programas, introduciendo correctores de herramientas. Como inconvenientes principales que se presentaron en la programación manual, se encuentran las siguientes desventajas: La primera, es que el usuario debe aprender el lenguaje con su propia sintaxis y gramática. Aun siendo que ya tenga experiencia en programación, está expuesto a algunos conceptos que son extraños para él. La segunda desventaja es que, el programador debe entender los dibujos de ingeniería con la consecuente posibilidad de que se presente un error. 85 TESIS DE MAESTRÍA

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La tercera es que, el programador debe mentalmente visualizar la ruta de la herramienta tal como lo está programando, y. La cuarta es, el consumo tiempo-máquina. En la figura 3.3 se muestra el dibujo de la pieza a maquinar con sus respectivas dimensiones.

Figura 4.1 Maquinado de una probeta en el torno CNC Boxford 250.

Figura 4.2 Probeta de aluminio maquinada en torno con CNC.

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4.3 PROGRAMACIÓN APLICANDO PROGRAMAS CAD/CAM El diseño y la fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier tipo de producto. Esta disciplina se ha convertido en un requisito indispensable para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad, disminuir los costos y acortar los tiempos de diseño y producción. La única alternativa para conseguir este triple objetivo es la de utilizar la potencia de las herramientas informáticas actuales e integrar todos los procesos, para reducir los costos (de tiempo y dinero) en el desarrollo de los productos y en su fabricación. Con este modelo de maquinado, se presentaron grandes ventajas en comparación del programado manualmente. Durante la realización del presente trabajo, primeramente se diseñó el dibujo con el programa de Auto CAD 2000, que también se puede lograr con versiones más recientes, el cual brinda todas las facilidades para su edición, proporcionando todos los valores de las dimensiones de la pieza a maquinar. Una vez teniendo el diseño de la pieza a obtener (figura 3.3), el dibujo se vincula a la unidad de procesamiento para que el programa Máster CAM lo pueda interpretar y de esa manera generar la codificación, posteriormente antes de ser maquinado fue necesario que se realizara la simulación, esto con la finalidad de verificar que no existan errores en el proceso. Se recomienda que la computadora cuente con un antivirus (Kaspersky, AVG 7.5, etc.) con el fin de no perjudicar los archivos contenidos en la máquina misma.

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Figura 4.3 Simulación del maquinado en el torno Boxford 250

Resulta conveniente que para el maquinado, primeramente se utilice un material menos costoso, para inspeccionar y observar físicamente que en realidad sea como se planteo la pieza propuesta inicialmente. La programación asistida por computadora tiene las siguientes ventajas sobre los métodos manuales: Uso de lenguaje simbólico. Menor tiempo de programación. La programación puede acomodar una gran cantidad de datos acerca de las características de la máquina y las variables de proceso, como potencia, velocidades, avance, forma de la herramienta, compensación por cambios de forma debidos a desgaste de herramienta, deflexiones y uso de enfriador. 88 TESIS DE MAESTRÍA

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Menor posibilidad de error humano, que puede hacerse en la programación manual. Capacidad de visualizar en pantalla una secuencia de máquina, para fines de corrección. Capacidad de cambios sencillos, de secuencia de maquinado. Menor costo, porque se requiere menos tiempo para programar. Los programas que se utilizaron para este trabajo son el Auto Cad versión 2004 y Máster Cam versión 4.38, Esto facilita los problemas, eliminando la necesidad de aprender un nuevo lenguaje entero. Trae como consecuencia un significativo impacto en el tiempo necesario para producir un programa entero.

4.4 PROGRAMACIÓN APLICANDO GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS Con este modelo de creación de trayectorias, la cual es muy práctica, ya que solamente requiere un trazado de líneas en el plano cuadriculado como el que se observa en la figura 4.1. Aquí se controlan no sólo la posición final de la herramienta, sino el movimiento en cada instante a lo largo de los ejes. La coordinación de su movimiento es usando técnicas de interpolación lineal y circular. Los cálculos de velocidad de avance, velocidad de corte, elección de herramienta, etc. los realiza la máquina misma en forma automática. Mediante la simulación del proceso, se genera automáticamente la codificación para ejecutarse cuando el operador lo desee. Cabe mencionar que este modelo se aplica únicamente para generación de una geometría sencilla, ya que si se desea realizar trayectorias complejas, se tiene que recurrir a la programación con CAD/CAM.

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Figura 4.4 Plano cuadriculado para la generación de trayectorias (ventana de CAD)

Fig. 4.5 Representación gráfica del diseño de una probeta, aplicando creación de trayectorias.

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La secuencia del maquinado es proporcionada por el operario, indicando las dimensiones de la pieza para su manufactura con un acabado fino, considerando los criterios para seleccionar los puntos de referencia (longitud y diámetro de la pieza a manufacturar). El torno debe estar en posición home, con cero pieza y cero máquina, para indicar los puntos de referencia de su manufactura y generar el programa código que el sistema puede interpretar.

4.5 ASPECTOS GENERALES La programación MANUAL se aplica cuando las operaciones a realizar disponen de muy poco tiempo. Generalmente se trata de geometrías 3D, agujeros o perfiles en repetición. Es una programación utilizada en empresas dedicadas a la fabricación de piezas de producción o a elementos que, como ya se ha señalado, no requieren operaciones complejas. La programación CAD/CAM se utiliza cuando las geometrías de los dibujos son complejas y cuando la pieza es una figura con definiciones en 3D. Es la programación empleada en los talleres de TORNEADO. Sin embargo con el método GENERACIÓN DE TRAYECTORIAS, el cual es una programación más gráfica, se puede realizar el maquinado de una forma sencilla e inmediata, para geometrías en 3 D. Una parte importante en el diseño es la construcción, donde todas las ideas en papel se cumplen y se dan a conocer tanto los éxitos como los errores en el diseño. Es importante notar que los parámetros calculados sirven de referencia, pues en su maquinado real tienen que ser modificados debido a situaciones externas por ejemplo no contar con la herramienta adecuada, impurezas en los materiales que hace que sus propiedades no sean uniformes, entre otras. Una buena manufactura de la pieza traerá como consecuencia: uniformidad de propiedades mecánicas, reducción de esfuerzos y buen acabado superficial. El tiempo y costos de producción dependen en gran manera del adecuado plan de proceso para cada pieza, apropiados parámetros de corte y uso correcto de las herramientas y máquinas-herramienta. 91 TESIS DE MAESTRÍA

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CONCLUSIONES De lo presentado y discutido en el trabajo se pueden deducir las siguientes conclusiones: El resultado del análisis de estos procedimientos y observaciones, proporciona una herramienta fundamental para poder decidirse por un método eficiente. Esto ayudará a los usuarios no expertos a manufacturar piezas con un mínimo de asesoramiento, ya que los procedimientos se deben de desarrollar de manera sencilla y para el fácil aprendizaje del usuario. Los resultados también muestran que de acuerdo a la magnitud de complejidad de cada uno de estos modelos presentados en este trabajo, se puede decir que la mejor Opción para la programación del torno CNC, es la técnica en donde se aplican los programas CADCAM, el uso generalizado del sistema Diseño Asistido por Computadora (CAD), a llevado a perfeccionamientos importantes en la generación de programas con control Numérico Computacional. Esta combinación permite la transferencia de información de la etapa de diseño a la etapa de planeación para la manufactura de un producto, sin necesidad de volver a capturar en forma manual los datos sobre la geometría de la pieza. La base de datos que se desarrolla durante el CAD es almacenada; posteriormente ésta es procesada por el CAM, para obtener los datos y las instrucciones necesarias para maquinar. Se demuestra también, que éste método está al alcance de usuarios que no tienen experiencia en Control Numérico Computacional, y que la aplicación de esta misma, facilita el trabajo en aquellos casos, en que se requiere diseñar y maquinar, evitando el uso de los códigos G y M. El uso de estos sistemas ahorra tiempo, recursos de producción y costos, con un aumento de la eficiencia y de la exactitud dimensional. Abarcan el diseño gráfico, el manejo de bases de datos para el diseño y la fabricación, control numérico de máquinas herramienta y simulación de procesos. La evolución del CAD/CAM ha sido debida, en gran parte, a que esta tecnología es fundamental para obtener ciclos de producción más rápidos y productos elaborados de mayor calidad. “A mejor tecnología, mayor producción. Producir más, en menos tiempo y mejor calidad”. Consiguiendo con todo esto un impacto del uso y aplicación de máquinasherramienta con CNC en la rama educativa del Instituto Tecnológico superior de Poza Rica. 92 TESIS DE MAESTRÍA

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RECOMENDACIONES PARA TRABAJO FUTURO En base a los resultados obtenidos, se recomienda continuar con éste trabajo: Aplicar éstas metodologías, al maquinado de piezas de aluminio, caracterización de piezas, al ser maquinadas con refrigerante y sin refrigerante Fabricar algún tipo de prótesis, utilizando y validando las metodologías propuestas.

93 TESIS DE MAESTRÍA

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32. Rivera Macías L, Oliva López E, Mendoza Núñez M.A, Kabatskaia Ivanovna A. “Propuesta de un modelo matemático para la optimización del torneado con CNC, para la manufactura celular”. (2004) México, Congreso 33. Schey John A. (2002) Procesos de manufactura, México, Mc Graw-Hill. p657, 658. 34. Soto Jiménez P. R. (2006) “Diseño de un dispositivo para realizar soldadura lineal de los blindajes de ademes hidráulicos” Tesis de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN. 35. V. Chiles, Stewart C. Black, A.J. Lissaman, S.J. Martin. (2006) Principios de ingeniería de manufactura. México, C.E.C.S.A. 36. Velázquez Sánchez A. T. (2003) “Implementación del control PID para un grado de libertad en un manipulador robótico” Tesis de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN. 37. Villalobos García G. (1994) "Guía de la industria y tecnologías metalmecánicas actuales y la función del diseño mecánico en la industria moderna" Tesis de Maestría en Ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN 38. Villanueva Pruneda S. A. (1996) "Metodología para la extracción de tecnología" Tesis de maestría en ciencias. ESIME-Zacatenco. IPN. 39. www.bancomext.com,_(Julio_2004),_15 de Septiembre de 2007 http://www.bancomext.com/Bancomext/portal/portal.jsp?parent=8&category=400&docu ment=6057 40. www.gestiopolis.com,_Iván_Escalona_Moreno._(Dic._2003), 14 de Octubre de 2007, http://www.gestiopolis.com/recursos/documentos/fulldocs/ger1/tfinman2.htm

96 TESIS DE MAESTRÍA

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ANEXO A: Tabla de códigos generales empleados en la programación del torno Boxford 250 con Control Numérico Computacional.

CÓDIGO

G00 G01

G02

G03

G04 G20

G21

G50

G75

G76

GRUPO

FUNCIÓN

USO DE DIRECCIÓN DEL CÓDIGO

MOVIMIENTO TRANSVERSAL X (U) Z (W) RÁPIDO INTERPOLACIÓN X (U) Z (W) F LINEAL INTERPOLACIÓN CIRCULAR (A FAVOR DE LAS X (U) Z (W) I K F L 1 MANECILLAS DEL RELOJ) INTERPOLACIÓN CIRCULAR (EN CONTRA DE LAS X (U) Z (W) I K F R MANECILLAS DEL RELOJ) 0 TIEMPO P PROGRAMANDO UNIDADES IMPERIALES 6 PROGRAMANDO UNIDADES MÉTRICAS MÁXIMA VELOCIDAD (VÁLIDO CUÁNDO S G 96 ESTÁ ACTIVADO) 0 CICLO DE RANURADO X (U) Z (W) F P Q R SOBRE EJE X CICLO DE ROSCADO SOBRE X (U) Z (W) F P Q R EJE Z Códigos G para Control Numérico Computacional [25].

97 TESIS DE MAESTRÍA

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CÓDIGO

GRUPO

FUNCIÓN

USO DE DIRECCIÓN DEL CÓDIGO

CICLO X (U) Z (W) R F CANCELADO CICLO DE G83 TALADRADO X (U) Z (W) F P Q R SOBRE EL EJE Z 1 RECORTE DE G90 X (U) Z (W) R F CICLO AXIAL RECORTE DE G94 X (U) Z (W) R F CICLO RADIAL VELOCIDAD G96 CONSTANTE DE S LA SUPERFICIE 2 VELOCIDAD G97 S CONSTANTE (RPM) G98 MM/MIN F 5 G99 MM/REV F Continuación de Códigos G para Control Numérico Computacional [25]. G80

10

ANEXO B: Tabla de códigos misceláneos empleados en la programación del torno Boxford 250 con Control Numérico Computacional.

CÓDIGO

FUNCIÓN

USO DE DIRECCIÓN DEL CÓDIGO

CI M01

PROGRAMAR PARADA INTERMEDIA PROGRAMAR PARADA OPCIONAL FIN DE PROGRAMA (UNA SOLA CANTIDAD) INICIO DE GIRO A FAVOR DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ INICIO DE GIRO EN CONTRA DE LAS MANECILLAS DEL RELOJ PARADA DE GIRO ABRIR REFRIGERANTE

S

M02 M03 M04 M05 M08

S

Códigos M para Control Numérico Computacional [25].

98 TESIS DE MAESTRÍA

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CERRAR REFRIGERANTE ENCENDER MANEJO DE HERRAMIENTA APAGAR MENEJO DE HERRAMIENTA ORIENTACIÓN DE GIRO ATRAPAR DENTRO DEL ÁREA RETIRAR DENTRO DEL ÁREA FIN DE PROGRAMA(REPETIR) CERRAR CHUCK AUTOMÁTICO ABRIR CHUCK AUTOMÁTICO ABRIR SEGURO AUTOMÁTICO CERRAR SEGURO AUTOMÁTICO LLAMAR SUBRUTINA FIN DE SUBRUTINA

M09 M10 M11 M16 M26 M27 M30 M39 M40 M48 M49 M98 M99

P

Continuación de Códigos M para Control Numérico Computacional [25].

99 TESIS DE MAESTRÍA

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ANEXO C: Codificación para el maquinado de la probeta. Org

Programación

Descripción

Careado Giro hacia la izquierda

Diámetro de desbaste

Desbaste con herramienta tipo 1

Acabado con herramienta tipo I

Desbaste con herramienta tipo II

N 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

190 200 210 220 230 240 250 260 270

280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430

Titulo: Probeta Prep Misc Ejes G M X

Z

Escrito Alim. Desp. I K

Material: Aluminio Hoja F

S

U

W

P

Q

R

Hta. T

21 1 30 96 99 0

10

4

225 0 11 -1

1 0

0.09 1

12 9 1

-202.6

0

12.5 18

1 0

12 14.5

1

9

-59

7.11

-59.294 -61.094 -139.8

11

12 96 0

4

250 13.5 1 8

1

2 1

6.054 6.1 6 8

0 -59 -60.246 -62.1 -138.9 -139 -140 -200 -202.6

0.05

0.09 0.05

11

Formato para la programación manual del torno Boxford 250.

100 TESIS DE MAESTRÍA

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Continuación de anexo C.

Org

Programación

Descripción

Cambio de Herramienta

Acabado con herramienta tipo II

Giro hacia la derecha

Acabado con herramienta de tipo II

Herramienta de separación

Separador

Acabado Giro hacia la izquierda

N 440 450 460 470 480 490 500 510 520

Titulo: Probeta Prep Misc Ejes G M X 0 30 5 10

Material: Aluminio Hoja F

S

U

W

P

Q

R

Hta. T

2 96 0

4

225 -62.1 12.5 6.1 8

1 0

530 540 550 560 570 580 590 600 610

Z

Escrito Alim. Desp. I K

0.09

30 5

10 3 250

0 0 1 2

620 630 640

0

650 660 670 680 690 700 710 720 730 740 750 760 770 780 790 800

96

-64.5 10.5 6 8

-60 -59

0.05

1

30 5

10 2

4

250

0

-62.1 10.5 6

1

-139 0

11

0

10 8 -1 30

-202.2

810

5

-202.1

10 1

30

Formato para la programación manual del torno Boxford 250.

101 TESIS DE MAESTRÍA

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ANEXO D: Codificación para el roscado de la probeta. Titulo: Roscado Descripción

Prep N

G

Escrito

Misc Ejes M

X

Z

Alim.

Desp.

I

K

Hoja Hta. F

S

U

W

P

Q

R

T

10 20 Careado

21

30 40

1

50

30

60

96

70

99

80

0

4

Acabado con herramienta tipo I

225

0

90

Diámetro de desbaste

10

9

100

1

110

0

-1

0.09 1

120 130

10

140

15

150

160

10

170

96

180

0

4

250 8

Formato para la programación manual del torno Boxford 250.

102 TESIS DE MAESTRÍA

PROGRAMACIÓN DEL TORNO DIDÁCTICO CON CONTROL NUMÉRICO COMPUTACIONAL BOXFORD 250

Continuación de anexo D.

Titulo: Roscado Descripción

Roscado externo

Prep N

G

190

1

Escrito

Misc Ejes m

X

Z

Alim.

Desp.

I

K

0

Hoja Hta. F

S

U

W

P

Q

R

0.05

200

-21

210

-50

230 240

0

250

30 5

10

260

2

270

97

280

0

4

350 2.5

290

Acabado

T

10

300

76

310

76

6.24

0

30

1.25

-24

2006 0 881

50

0.05

179

320 330 340

5

10

350 360

1 30

Formato para la programación manual del torno Boxford 250.

103 TESIS DE MAESTRÍA