U1 Introduccion a La Manufactura Avanzada

UNIDAD 1

INTRODUCCIÓN A LA MANUFACTURA AVANZADA

ÍNDICE 1. Introducción a la manufactura avanzada  ¿Qué es manufactura?  Ingeniería de manufactura

2. Planificación de Procesos 3. Metodología de desarrollo 4. Criterios de aplicación  Restricciones geométricas  Restricciones tecnológicas  Restricciones económicas

5. CAPP 6. Introducción al Control numérico

¿QUÉ ES MANUFACTURA? 

Consiste en la transformación de materias primas en productos manufacturados, productos elaborados o productos terminados para su distribución y consumo.

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Es más comúnmente aplicado a la producción industrial, en la cual las materias primas son transformadas en bienes terminados a gran escala y con la utilización de máquinas y fuentes de energía más allá del simple trabajo humano



La fabricación moderna incluye todos los procesos intermedios requeridos para la producción y la integración de los componentes de un producto. El sector industrial está estrechamente relacionado con la ingeniería y el diseño industrial.

LA MANUFACTURA Y LA INDUSTRIA 

Los ingenieros de manufactura están involucrados en el proceso de fabricación desde la planificación hasta el empaque de productos terminados.

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Examinan el flujo y proceso de manufactura, en busca de formas de agilizar la producción, mejorar las entregas y reducir los costos.

INGENIERÍA DE MANUFACTURA 

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Los ingenieros de manufactura utilizan herramientas tales como robots, controladores programables y numéricos, y sistemas de visión para perfeccionar las instalaciones de ensamble, empaque y despacho. Un ingeniero de manufactura suele trabajar con un prototipo, comúnmente creado electrónicamente con computadoras, para planificar el proceso de fabricación final. La labor de un ingeniero de manufactura consiste en descubrir métodos y sistemas para producir un producto de forma más eficiente y económica a fin de ofrecer una ventaja competitiva para el producto final.

INTRODUCCIÓN A LA MANUFACTURA AVANZADA

GENERALIDADES  Planificación de procesos  Establecimiento y secuenciación de procesos, máquinas, herramientas y parámetros de corte para la fabricación de componentes a partir de preformas (seleccionar la adecuada en función de la forma de la pieza y la importancia de la serie  estándar o proceso de conformación o deformación) • Especificaciones de pieza  Plano (formas, dimensiones, tolerancias (dimensionales, de forma y acabado superficial)); Material; Tratamientos térmicos y superficiales; Superficies de referencia • Importancia de la serie  Cantidad de piezas; nº de lotes/año; plazo de entrega  ritmo de producción y costo admisible • Posibilidades y limitaciones del equipamiento disponible: M-H, htas, elementos de medida...

GENERALIDADES  Planificación de procesos Plan de procesos u Hoja de procesos ( hoja de ruta, hoja de operaciones... )

• Describe la secuencia del proceso seleccionado con mayor detalle que el diagrama de proceso • Especifica la secuencia, paso a paso, de operaciones fabricación, detallando: •Estaciones de trabajo, •Herramientas • Actividades de control de calidad •Parámetros de proceso, • Montajes de pieza,

•Planos soporte de fabricación y ensamblaje (planos de ingeniería sólo definen las piezas)...  Fundamental para definir y gestionar los recursos de fabricación

GENERALIDADES 

•

Planificación de procesos

Se divide en: –

Fases  operaciones realizadas en una misma Máquina Herramienta10,20,30...

–

Subfases  operaciones realizadas en una misma sujeción de pieza con un Utillaje A,B,C...

–

Operación  operaciones realizadas con una misma Herramienta / ciclo de mecanizado a,b,c...

METODOLOGÍA PARA MANUFACTURAR UNA PIEZA 1. Dibujo e información de la pieza 2. Estudio de la información geométrica del plano

3. Determinación de los volúmenes de mecanizado 4. Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado 5. Selección de superficies de referencia y sujeción 6. Selección de Máquina Herramienta 7. Determinación de las operaciones; Selección de htas y condiciones de corte

8. Elección y/o diseño del utillaje 9. Confección del programa máquina 10. Diseño del proceso de inspección y transporte 11. Determinación de tiempos y costes de fabricación

EJEMPLO 1. Dibujo e información de la pieza

• Material: Acero fundido R = 55 kg/mm2 ; HB = 200 • Creces: 5 mm en superficies a mecanizar ; Agujeros ciegos • Especificaciones: Ra = 3.2 en sup a mecanizar, salvo indicación contraria

METODOLOGÍA 1. Dibujo e información de la pieza 2. Estudio de la información geométrica del plano • Numeración de superficies a mecanizar • Análisis de especificaciones superficiales • Análisis de tolerancias dimensionales Cuadro resumen • Análisis de tolerancias de forma y posición • Análisis de material y forma de partida • Análisis del resto de especificaciones

3. Determinación de los volúmenes de mecanizado 4. Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado 5. Selección de superficies de referencia y sujeción 6. Selección de Máquina Herramienta 7. Determinación de las operaciones; Selección de htas y condiciones de corte

8. Elección y/o diseño del utillaje 9. Confección del programa máquina 10. Diseño del proceso de inspección y transporte 11. Determinación de tiempos y costes de fabricación

EJEMPLO 2. Estudio de la información geométrica del plano

4 57

10

6

8

9

9

9

3 2

1

EJEMPLO 2.Estudio de la información geométrica del plano • Las superficies son básicamente cilindros y planos de una pieza de revolución • Creces: 5 mm y agujeros ciegos coaxialidad

paralelismo

localización de centro

METODOLOGÍA 1. Dibujo e información de la pieza 2. Estudio de la información geométrica del plano

3. Determinación de los volúmenes de mecanizado • Determinación del material a mecanizar • División en subvolúmenes Diagrama Procesos de Desbaste • Asociación de superficies • Procesos de eliminación de volúmenes 4. Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado

5. Selección de superficies de referencia y sujeción 6. Selección de Máquina Herramienta 7. Determinación de las operaciones; Selección de htas y condiciones de corte 8. Elección y/o diseño del utillaje 9. Confección del programa máquina 10. Diseño del proceso de inspección y transporte 11. Determinación de tiempos y costes de fabricación

EJEMPLO 3.Determinación de los volúmenes de mecanizado • Restricciones tecnológicas por la interferencia de volúmenes de mecanizado  evitar corte interrumpido; mejorar entrada de hta. • Restricciones económicas  reducir trayectorias; procesos más convenientes

METODOLOGÍA 1. Dibujo e información de la pieza 2. Estudio de la información geométrica del plano

3. Determinación de los volúmenes de mecanizado 4. Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado • Procesos que satisfacen requisitos de acabado • Inventario de operaciones a realizar Diagrama Fases y • Determinación de relaciones de precedencia Subfases • Determinación de fases y subfases  agrupar por M-H y sujeción

5. Selección de superficies de referencia y sujeción 6. Selección de Máquina Herramienta 7. Determinación de las operaciones; Selección de htas y condiciones de corte 8. Elección y/o diseño del utillaje 9. Confección del programa máquina 10. Diseño del proceso de inspección y transporte 11. Determinación de tiempos y costes de fabricación

EJEMPLO 4.Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado • Procesos más adecuados para tolerancias y acabado superficial... • Ajustarse al equipamiento disponible...

EJEMPLO • Operaciones agrupadas por M-H  fases, ordenadas por restricciones tecnológicas (corte interrumpido, sup. de referencia...) • Selección de M-H según coste (hora taladro < hora fresadora)

EJEMPLO 4.Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado

• Operaciones agrupadas por sujeciones o montajes cuidando: accesibilidad de htas, huellas de perros de arrastre, sup. de referencia por donde posicionar la pieza (en la 2ª subfase deben ser sup. mecanizadas)

METODOLOGÍA 1. Dibujo e información de la pieza 2. Estudio de la información geométrica del plano 3. Determinación de los volúmenes de mecanizado 4. Determinación de los procesos y secuencia de mecanizado 5. Selección de superficies de referencia y sujeción • Posicionamiento de la pieza en la máquina  simplificar cambios de trayectoria e inercias • Características de unión pieza / utillaje • Condiciones de isoestaticidad (planificación de utillaje, axiomas y reglas de diseño) • Simbolización de posicionamiento y sujeción 6. Selección de Máquina Herramienta • Tamaño de lote  nivel de automatización • Requerimientos del equipamiento • Disponibilidad, subcontratación o adquisición 7. Determinación de las operaciones; Selección de htas y condiciones de corte

8. Elección y/o diseño del utillaje 9. Confección del programa máquina 10. Diseño del proceso de inspección y transporte 11. Determinación de tiempos y costes de fabricación

DESARROLLO DE PLAN DE FABRICACIÓN  Plan de fabricación 1) Determinación del Proceso: • formas  tipo de mecanizado • dimensiones  capacidad de máquina • material  potencia de máquina; tipo de mecanizado; htas; cond. corte • tratamientos térmicos  procesos intermedios, precisan un posterior acabado • tratamientos superficiales  al final del proceso 2) Determinación de las Fases: • tolerancias (dimensionales, de forma y posición, acabado superficial)  tipos de mecanizado necesarios; precisión de posicionamiento y repetibilidad – Ejemplo: agujeros de precisión: fundición  taladrado  escariado  rect. interior  honeado • importancia de la serie, equipamiento disponible  selección y secuenciación de máquinas 3) Determinación de las Subfases: • tolerancias de forma y posición, superficies de referencia  diseño y secuenciación de posicionamientos y sujeciones de la pieza ( planificación de los utillajes) – Sup. de partida: elegir mejor sup. mecanizadas, las bilimitadas (190.3) de menor tolerancia • importancia de la serie, equipamiento disponible selección y diseño de utillajes – Objetivos: reducir tiempo no productivo   nº de utillajes, nº de atadas pieza, cambios de hta, nº pasadas y longitud de trayectorias de hta...

DESARROLLO DEL PLAN DE FABRICACIÓN  Plan de fabricación 4) Determinación de Operaciones: • restricciones geométricas, tecnológicas, económicas  diseño y secuenciación de operaciones; ciclos fijos / paramétricos del control • análisis de movimientos necesarios  tipo de control de máquina para trayectorias de mecanizado • rugosidad, operatividad ( tiempo o coste de mecanizado)  selección htas y ajuste de condiciones de mecanizado para cada tipo de pasada (desbaste, semiacabado, acabado)  ap, ae, f, Vc, n, refrigerante, sistema de sujeción hta... 5) Obtención de programa CNC • localización de htas en la torreta; reglaje de htas; configuración de orígenes de pieza; cálculo de trayectorias de mecanizado; simulación y postprocesado • selección del sistema de programación: aprendizaje, ISO, WOP, CAM 6) Mecanización y verificación • selección de los elementos de medición y verificación • chequeo del proceso definido (calidad, tiempos, costes) y realimentación antes de aplicar a toda la serie

METODOLOGÍA  Secuencia de aplicación (Boothroy)

CRITERIOS  Secuencias habituales por gamas tipo de piezas • Piezas rígidas  desbaste  acabado  sup. frágiles (roscado) (ranurado antes) • Piezas con grandes sobreespesores  desbaste  tratamiento de estabilización de tensiones internas  acabado • Piezas semirrígidas  no deformar la pieza  cuidar elección puntos de apoyo, limitar esfuerzos de sujeción, colocar soportes que limiten la deformación, limitar esfuerzos de corte • Piezas deformables  inmovilizar parte flexible; soportes; limitar esfuerzos de corte • Piezas templadas (R100daN/mm2)  desbaste  acabado sup. poco exactas (IT>9)  temple y revenido  semiacabado y acabado por arranque de viruta • Piezas templadas (R>100daN/mm2)  desbaste  acabado sup. poco exactas  temple y revenido  acabado por rectificado • Piezas cementadas con recubrimiento  dejar menos tolerancia o dimensión si hay tratamiento superficial de recubrimiento

 Los procesos de mecanizado precisan Viruta mínima  dejar creces para el proceso posterior

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Formas típicas de superficies  simples o más complejas de mecanizar en distintos tipos de M-H  características de mecanizado (“features”)  Reconocimiento automático/interactivo de características a partir de geometría en CAD 2D/3D. Características típicas simples en piezas rotacionales

CRITERIOS

CRITERIOS

Características típicas simples en piezas no rotacionales

• Agujeros: pasantes / ciegos; roscados; aborcardados / avellanados • Ranuras: pasantes / ciegas; abiertas / cerradas • Cajeras ; Rebajes ; Redondeos, chaflanes

CRITERIOS

Características típicas simples en piezas no rotacionales

• Agujeros: pasantes / ciegos; roscados; aborcardados / avellanados • Ranuras: pasantes / ciegas; abiertas / cerradas • Cajeras ; Rebajes ; Redondeos, chaflanes

CRITERIOS

Características típicas más complejas en piezas no rotacionales

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Tolerancias de forma y posición  secuenciación del mecanizado: superficies de referencia se mecanizan 1º • Paralelismo, Perpendicularidad  1º mecanizar la de referencia para que sirva de apoyo o bien mecanizar ambas en un mismo montaje (sujeción de pieza)

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Tolerancias de forma y posición  secuenciación del mecanizado: superficies de referencia se mecanizan 1º • Coaxialidad  mecanizado entre puntos previo para tener eje de referencia en las fases y subfases • Planitud  cuidar las deformaciones por tensiones internas

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Tolerancias dimensionales y rugosidad  secuenciación de procesos de mecanizado • Caracterización de procesos de mecanizado por valores típicos de tolerancias y acabados superficiales

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Tolerancias dimensionales y rugosidad  secuenciación de procesos de mecanizado • Caracterización de procesos de mecanizado por valores típicos de tolerancias y acabados superficiales

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)

 Tolerancias dimensionales y rugosidad  secuenciación de procesos de mecanizado

• Existe correlación entre tolerancia dimensional y rugosidad • Existe correlación entre tolerancia dimensional y tamaño de pieza

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)  Tolerancias dimensionales y rugosidad  secuenciación de procesos de mecanizado • Cuidar la acumulación de tolerancias al secuenciar y definir las operaciones y las superficies de

referencia  cuidar la acotación (líneas base de cotas)

CRITERIOS  Restricciones Geométricas y Dimensionales (impuestas por el plano de la pieza)

• cuadro de tolerancias

-Transformar previamente las dimensiones para que tengan tolerancias bilaterales () -Las dimensiones se suman o restan, pero las tolerancias siempre suman -Se van calculando las dimensiones resultantes y el stock por mecanizar -Se comparan los resultados finales con los requerimientos del plano

CRITERIOS

-Ajustar tolerancias de mecanizado para lograr los requerimientos del plano de la pieza

CRITERIOS  Restricciones Tecnológicas (impuestas por los medios de fabricación)  secuenciación de operaciones  Se mecanizan al final las operaciones que generan: secciones débiles; posibles flexiones de pieza y desviaciones de hta.

CRITERIOS  Restricciones Tecnológicas (impuestas por los medios de fabricación)  secuenciación de operaciones  Se mecanizan al final las operaciones que generan superficies frágiles como las roscas, protegiéndolas en caso si es imposible cumplir esta regla.  Tratamientos superficiales tras mecanizado

CRITERIOS  Restricciones Tecnológicas (impuestas por los medios de fabricación)  secuenciación de operaciones  Mandrinados secantes  1º el más exacto o largo.  Evitar corte interrumpido.  Mecanizado de agujeros: Centrado  Taladrado  Abocardado / avellanado  Roscado // Acabado más preciso

CRITERIOS  Restricciones Tecnológicas (impuestas por los medios de fabricación)  secuenciación de operaciones  Evitar rebabas  chaflanes al final  Operaciones de precisión tras las operaciones que pueden provocar deformaciones de pieza y tratamientos térmicos.

CRITERIOS  Restricciones Económicas (reducción de costes) • Incremento del coste con: tolerancias, acabado superficial, relación L/D y posicionamiento de agujeros

CRITERIOS  Restricciones Económicas (reducción de costes) • Reducción de tiempos improductivos  acortar trayectorias; asociar htas; ajustar parámetros de corte • Reducción de htas y utillajes

CRITERIOS  Restricciones Económicas (reducción de costes)  DFM: Diseño para Fabricación  consideraciones en el diseño de pieza para reducir costes de fabricación • Seleccionar los materiales más adecuados  mejor maquinabilidad / menor coste / preforma estándar • Estandarizar diseños, características de mecanizado (taladros, ranuras, redondeos…)   nº herramientas - familias de piezas  CAPP variacional (hoja de procesos para familias de piezas) • Reducir máquinas necesarias (M-H estándar si es posible)   nº fases (  manipulación y WIP) • Elegir adecuadamente la preforma - mínimo coste de producción - ajustar dimensiones para  material sobrante (pasada mínima)

CRITERIOS  Restricciones Económicas (reducción de costes)  DFM: Diseño para Fabricación  consideraciones en el diseño de pieza para reducir costes de fabricación • Simplificar el diseño - Reducir o eliminar operaciones de mecanizado complejas y secundarias (tratamientos, acabados) -  sup a mecanizar y disponerlas para  nº subfases al no tener que mecanizar sup inaccesibles en una sujeción (por ejemplo, torneado acabando la pieza con un tronzado) - Simplificar las características de mecanizado  facilidad de mecanizado, accesibilidad de htas

CRITERIOS  Restricciones Económicas (reducción de costes)  DFM: Diseño para Fabricación  consideraciones en el diseño de pieza para reducir costes de fabricación • Simplificar el diseño - Diseños rígidos para soportar las fuerzas de mecanizado - Utilizar las máximas tolerancias y acabados superficiales posibles - Ranuras de salida de muela, ranuras de salida de rosca, evitar aristas vivas... - Agujeros y mandrinados cilíndricos, con baja relación L/D, paralelos a ejes de máquina, y de fácil entrada de hta

CAPP  CAPP: Computer Aided Process Planning

 Definición: Determinación sistemática de métodos de fabricación y detalles de operación por los que las piezas pueden fabricarse económica y eficientemente desde materias primas a productos acabados. [Cornelius Leondes]  Proceso tradicional (manual) consume mucho tiempo y esfuerzo y no es tan eficiente (excesiva dependencia del planificador de procesos de fabricación)  CAPP  especialmente adecuado para producción discreta de alta variedad y bajo volumen de producción por múltiples procesos de fabricación y ensamblaje

 proporciona múltiples decisiones e información alternativa, ajustándose a estándares de fábrica  debe facilitar la integración y coordinación de actividades de producción: diseño, planificación de producción, planificación de recursos, fabricación y control  enlace entre CAD y CAM  integración con MES (Manufacturing Execution System), CAD/CAM y MRP/ERP

 las aplicaciones industriales todavía no tienen todo el soporte computacional, htas y funciones citadas

CAPP  CAPP: Computer Aided Process Planning

 Beneficios: • Tangibles: (estudio en 20 grandes compañías) – 58% reducción de esfuerzos de planificación – 10% ahorro en mano de obra directa – 4% ahorro en material – 10% ahorro en desechos – 12% ahorro en herramental – 6% reducción de inventario en curso (WIP)

• Intangibles: – Reducción del tiempo de planificación y ciclo de producción  respuesta más rápida a cambios ingenieriles – Mayor consistencia del plan de procesos; acceso a información actualizada en una base de datos central – Mejores procedimientos de estimación de costes y menores errores de cálculo – Planes de proceso más completos y detallados – Mejor planificación de la producción y utilización de la capacidad – Mejor capacidad para introducir nuevas tecnologías de fabricación y actualizar rápidamente los planes de procesos para usar la tecnología mejorada

CAPP  Planificación manual

Process Planner

Engineering Drawing

• Retrieves PP Document • Modifies PP to Match a Specific Part • Make a Copy for Part Programmer • Filed New PP Document

Part Programmer NC Program

• Retrieves PP Document • Modifies PP to Match a Specific Part • Make a Copy for Part Programmer • Filed New PP Document

Filed Process Planning Based on Coding & Classification of Parts

CAPP  Planificación semiautomática Process Planning System

Engineering Drawing Coding or Other Form of Input

Process Planner Process Production Planner • Scheduling • MRP

Industrial Engineer • Time Standard • Operation Instruction • Layout

Part Programmer

NC Processor and Post-processor

NC Program

CAPP  Planificación automática

Classification Module

Surface Identification Module Material Selection Module

Parameter Optimization Module

Machinability DB Standard Time DB Standard Cost DB

Process Selection Module

CAD DB Process Capability DB Machine DB

Machine Selection Module

Tool DB

Tool Selection Module

Material DB

Fixture Selection Module

Fixture DB

End Effector Selection Module Cutter Path Generation Module

Intermediate Surface Generation Module

End Effector DB Process Plan DB

System Maintenance Module

CONTROL NUMÉRICO Y SU APLICACIÓN 

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Un centro de mecanizado, es una máquina de gran automatización que es capaz de realizar diversas operaciones de maquinado dentro de una instalación bajo CNC (Control Numérico Computarizado) con una mínima intervención humana. Las operaciones más comunes en las que se usa esta máquina son aquellas que usan herramientas de cortes rotatorios como brocas y cortadores. A comparación de este sistema de mecanizado con los sistemas más tradicionales, se destaca como ventaja, la velocidad de producción y como desventaja, la inversión necesaria.



Estos centros de mecanizados cuentan con las siguientes características. 



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La versatilidad y flexibilidad que debido al alto grado de automatización, las hace capaces de ejecutar diferentes operaciones de mecanizado en una sola pieza. Brinda un buen acabado superficial, lo que las hace indicadas para dar la forma final a las piezas que se fabrican. Estas máquinas son reconfigurables, ya que pueden cambiar rápidamente de configuración para realizar diversas tareas de mecanizado sobre una pieza. Uniformidad en la producción, condición necesaria para la producciones en serie. Alta velocidad de producción, debido a que realizan una gran cantidad de operaciones de una forma automática sobre la pieza trabajada. Algunas de las virtudes que demuestran la flexibilidad y reconfigurabilidad mencionadas son, el cambio automático de herramientas, las utilizaciones de paletas transportadoras y el posicionado automático de la pieza de trabajo.

COMPARACIÓN MAQUINADO CONVENCIONAL VS CNC Máquina convencional

Máquina con CNC

Es necesario que constantemente se consulte el plano

No es necesario consultar apenas el plano

Un operario solo puede manejar una maquina Un operario puede manejar varias maquinas

El operador tiene el control de avance, profundidad, etc.

El programa tiene todo el control de los parámetros de cortes

Existen mecanizados imposibles

Posible de realizar cualquier tipo de mecanizado

Bajo costo

El costo de máquina, accesorios y mantenimiento es muy elevado

Posible manejo de pequeños volúmenes de producción

Se necesita mantener grandes volúmenes de producción para reducir los costos