Análisis y proyección económica del proceso de torneado CNC.

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1 Análisis y proyección económica del proceso de torneado CNC. José Antonio Torres C., Martín Caudillo, Benjamín Arroyo R. Instituto Tecnológico de Celaya, Departamento de Ingeniería Mecánica, Av. Tecnológico Esq. A. García Cubas S/N, AP 57, CP 38010, Celaya, Guanajuato, México Tel Ext.206, Fax antoniotorres.castillo@gmail.com cmartin@itc.mx barroyo@itc.mx Javier Cervantes Cabello. Departamento de Ingeniería Mecánica de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México Circuito exterior de Ciudad Universitaria, Coyoacán, D.F. C.P , México Tel Ext.125, Fax , cercab@yahoo.com.mx RESUMEN En el presente artículo se plantea un modelo matemático para obtener el costo por pieza maquinada mediante un torno CNC tomando en cuenta las condiciones de programación y las características de las herramientas de corte. El planteamiento del modelo se sustenta en función de las referencias consultadas con la finalidad de controlar el proceso de torneado en las líneas de producción así como programar presupuestos para las mismas en base a un análisis técnico-económico de las herramientas de corte. Los resultados son contundentes al mostrar la diferencia de costos entre los dos proveedores de insertos de carburo que se utilizaron para mostrar parte del funcionamiento de la metodología utilizada en una empresa metalmecánica para la administración de las herramientas de corte y el impacto económico de dicho análisis. ABSTRACT This article show the mathematic model in order to get the cost of production using CNC turn, also the tool characteristic and the numerical control program. The focus of this model is to control the turning process in the production lines and to plane the estimate because of economic and technical analysis of cutting tools. The results are forceful, show the cost different between inserts carbide suppliers that were used in order to show how does methodology of administration of tool cutting works and its economic impact. NOMENCLATURA CT Costo de producción total de una pieza torneada CM Costo máquina por pieza CH Costo herramienta por pieza CCD Costo de carga y descarga Costo máquina por hora Tiempo de corte por pieza Cantidad de piezas por filo Costo de herramienta por filo Costo por juego de filos Costo por cambio de filo Precio del inserto Número de filos por inserto Tiempo de cambio de filo Costo del rendimiento del porta inserto Precio de porta inserto Piezas producidas con herramental Tiempo de carga y descarga PALABRAS CLAVE CNC, inserto de carburo, velocidad de corte, códigos G96 y G97, portaherramientas, costo. INTRODUCCIÓN El maquinado de elementos mecánicos de gran precisión fabricados en las líneas de producción requiere de varios análisis para llevarse acabo, en donde el análisis del costo por pieza torneada es fundamental si el proceso así lo requiere. Debido a los altos volúmenes de piezas torneadas, se exige al proveedor de herramientas que proponga insertos que soporten las 651

2 condiciones de corte que respalden los ritmos de producción. A continuación se muestra el desarrollo de análisis económico para obtener el costo por pieza mediante un torno CNC. Para poder obtener el costo de producción total de una pieza (CT) torneada mediante un torno de control numérico, se deben de incluir varios factores que están involucrados en su producción. Principalmente el costo de una pieza maquinada, es la suma de: el Costo máquina por pieza (CM), el costo herramienta por pieza (CH) y el costo de carga y descarga (CCD) [1]. El costo máquina por pieza (CM), indica la cantidad de dinero que se invierte en el proceso de torneado, en donde dichas inversiones son: costo de la máquina, costo de la mano de obra, costo de los solubles y mantenimiento. Pero como factor principal se tiene el tiempo de torneado de una pieza o comúnmente dicho como tiempo ciclo, donde la importancia de tal factor se comprenderá al final del presente artículo. El costo herramienta por pieza (CH) es la inversión de la empresa en herramientas como insertos de carburo y herramentales como porta insertos, brocas, barras anti vibratorias, etc para realizar el maquinado de una pieza [2]. Finalmente el costo de carga y descarga (CCD) de las piezas, que está asociado principalmente al tiempo que invierte el operador en el movimiento de las piezas para colocarlas en el torno y en los transportadores. El modelo matemático propuesto para calcular el costo de producción total (CT) de una pieza torneada mediante un torno de CNC es: CT=CM + CH + CCD. (1) En virtud del gran impacto económico que tienen los procesos de torneado utilizando insertos de carburo, se propone un nuevo modelo matemático con un enfoque más aproximado a la situación del proceso de torneado tipo CNC con bases teóricas establecidas principalmente por Dieter, Boothroyd y Groover. Boothroyd considera que para obtener el costo maquina por pieza (CM) se necesita tener el costo máquina por hora (tasa de costo $/Hr.) y el tiempo de corte por pieza mediante la fórmula 2 [3]. o comúnmente llamado tiempo ciclo. El (CM) se obtiene ; (2) Para obtener el costo herramienta por pieza (CH) se necesita tener el número de piezas por filo y el costo de herramienta por filo. El número de piezas por filo, se define como la cantidad de piezas que se produjeron o tornearon con un solo filo del inserto utilizado, mientras que el costo de herramienta por filo se conceptualiza como la suma del costo por juego de filos y el costo por cambio de filo. Estos dos últimos costos se calculan de la siguiente manera: El costo por juego de filos. Es la cantidad de dinero que cuesta cada filo del inserto y se calcula mediante la fórmula 3. ; (3) En donde es el precio de la pastilla y es el número de filos que tiene un inserto. Es importante señalar que en función de la geometría de la herramienta se pueden tener desde 2 hasta 8 filos por cada inserto. En este mismo sentido el costo por cambio de filo, es el monto que se invierte en el cambio de posición del inserto para trabajar con otro filo y se calcula con la fórmula 4 en donde la variable es el tiempo de cambio de filo. La fórmula para obtener el costo de herramienta por filo es: ; (4) (5) Posteriormente se obtiene el costo herramienta por pieza (CH) como el cociente del costo de herramienta por filo entre el número de piezas por filo, como se muestra en la fórmula 6. ; (6) Es importante hacer notar que los insertos de carburo deben de colocarse en porta insertos, brocas, barras, etc y dichos herramentales tienen un precio y un tiempo útil de trabajo, por lo que se tiene que tomar en cuenta el costo asociado a dichos herramentales, es decir, el costo del rendimiento del porta inserto donde es el precio de porta inserto y es la cantidad total de piezas producidas con dicho herramental. El se calcula con la fórmula 7: ; (7) Para el caso en particular de los insertos de carburo, éstos no requieren de un proceso de re afilado, por lo tanto no está incluido dicho costo, pero de ser necesario, el presente modelo se ajusta a dicha necesidad sin problema alguno. Debido a las nuevas tecnologías por parte de los proveedores de insertos de carburo actualmente se está introduciendo el concepto de reciclaje, por lo que dicho concepto deberá de ser involucrado como tasa de retorno en el modelo matemático que calcula el costo por pieza maquinada [4]. 652

3 Por último, el costo asociado a la carga y descarga de piezas (CCD) se calcula con la fórmula 8, en donde es el tiempo que el operador invierte para colocar las piezas en el chuck e iniciar nuevamente el proceso de torneado. Cuando se realizan pruebas de vida de insertos con diferentes proveedores no se toma en cuenta este costo, ya que solamente se evalúa el rendimiento de la herramienta de corte y al ser un costo constante para ambos proveedores al momento de restar el costo por pieza del inserto actual menos el costo por pieza del inserto propuesto se observa que no causa efecto alguno en el costo total [2]. ; (8) Finalmente, al sustituir las ecuaciones 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8 en la ecuación (1) se llega a las ecuaciones 9, 10 y 11 siendo esta última con la que se obtiene el costo total por pieza torneada. CT = + + (9) CT = (10) CT = ; (11) EQUIPO Y MATERIAL EMPLEADO Para llevar a cabo el análisis económico de dos propuestas con trayectorias y herramientas de corte diferentes durante el proceso de torneado (desbaste) se tuvo a disposición: Torno simulturn OKUMA LE020, software CIMCOEdit V5 para analizar las trayectorias de corte propuestas, estereoscopio CAR ZEIZZ K-250 para identificar el tipo de falla de la herramienta de corte, medidor de altura digital MITUTOYO, insertos de carburo del proveedor A y del proveedor B cuyas descripciones respectivamente son: SNMG MR4225 y SNMG UE6110 y finalmente el formato control de herramienta perecedera [5] para llevar el registro de las piezas producidas con los insertos probados. La tabla 1 muestra los rangos de las condiciones de corte de los dos insertos de carburo que se pueden aplicar al proceso de torneado. Tabla 1. El símbolo se refiere a que el material de la pieza de trabajo es acero mientras que el símbolo indica que el tipo de corte es continuo [ 6]. Proveedor A B Material Trabajo Tipo de corte Velocidad de corte [m/min] Profundidad de corte [mm] Avance [mm/rev] METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Para llevar a cabo el análisis y proyección económica del proceso de torneado, se probaron dos propuestas con diferentes trayectorias y herramientas de corte para mostrar la influencia de las condiciones de corte y las características del inserto de carburo en el costo por pieza de una pieza torneada mediante CNC. Es importante mencionar que para las dos pruebas se utilizó el mismo: sistema de sujeción, piezas forjadas de acero 1055, torno CNC, medidor de altura y operador del torno. En la figura 1 se muestran el esquema de trabajo que se siguió para obtener el costo por pieza bajo las dos diferentes propuestas. 653

4 Figura 1.Representa la metodología experimental llevada a cabo en la línea de producción. En la figura 2 se muestran las trayectorias de la herramienta de corte de la propuesta A, donde se aprecia que el corte consta de cuatro etapas, mientras que en la propuesta B son tres etapas tal y como se muestra en la figura 3. Figura 2. Propuesta uno. Mediante el software CIMCOEdit V5 se observa la trayectoria de la herramienta realizando el desbaste de la pieza. La longitud maquinada es de 78 mm. Figura 3. Propuesta dos. En el software CIMCOEdit V5 la línea de color blanco indica que la herramienta está cortando (G01) mientras que las líneas de color amarillo son los movimientos rápidos de posición de la herramienta (G00). La longitud maquinada es de 71 mm. Es importante hacer notar que la programación de la primera propuesta (Proveedor A) es mediante G97, mientras que la programación de la segunda propuesta (Proveedor B) es con G96. La tabla 2 muestra la ficha técnica que el proveedor de herramienta de corte te entrega para seleccionar las condiciones de corte adecuadas para tornear. Tabla 2. Condiciones de corte de ambos proveedores. Proveedor A B 654

5 Velocidad de corte [m/min] Diámetro de la pieza de trabajo [mm] R.P.M. [1/min] Avance [mm/rev] Longitud maquinada [mm] Profundidad de corte [mm] 2 3 Tiempo de corte teórico [min] Para obtener las pruebas de vida de los insertos de carburo se utilizó el formato control de herramienta perecedera (Tabla 3) que tiene por objetivo registrar el rendimiento de las herramientas de corte durante los 22 días en que se llegó aproximadamente a la culminación de la prueba. La razón del por qué la prueba duró 22 días se debe a las dinámicas propias de la línea de producción tales como: cambios de modelo, mantenimiento preventivo y correctivo, cursos de capacitación al personal, maquinado de prototipos, etc. Tabla 3. Formato control de herramienta perecedera para las propuestas A y B. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE VIDA DE LOS INSERTOS MONITOREADOS PROVEEDOR A Piezas maquinadas por filo [Pieza/filo] Varianza Media Tiempo ciclo [min/pieza] PROVEEDOR B Piezas maquinadas por filo [Pieza/filo] Varianza Media Tiempo ciclo [min/pieza] RESULTADOS Y DISCUSIÓN El criterio utilizado al evaluar la vida del inserto consistió en monitorear la longitud total de la pieza maquinada mediante el medidor de altura. La longitud que establece el diseño de la pieza es de 68.5 ± 0.02 mm, si el operador compensa el offset de la herramienta en el control del torno ha medida que se desgasta el inserto, éste debe de asegurarse que se encuentra dentro de dicha tolerancia, de lo contrario se considera que la vida útil del filo del inserto a terminado. Si el operador no realiza su trabajo correctamente, el auditor de calidad rechazará el material por no estar dentro de la especificación que marca el diseño de la pieza, además durante el desarrollo de la prueba el operador revisó cada 10 piezas torneadas el filo del inserto con la finalidad de observar el modo de falla del mismo evitando así, el desecho en la línea de producción por causa del proceso de torneado. En la tabla 4 se tienen los resultados de las 10 pruebas de vida realizadas, en donde se aprecia claramente que el rendimiento de la herramienta del proveedor B es muy superior que la del proveedor A. Mediante el cálculo de la varianza se observa que el comportamiento del rendimiento de la herramienta A es más estable que B, pero el tiempo ciclo del proveedor B es menor que A. Mediante la ecuación de vida de una herramienta desarrollada por Taylor se podría establecer el rendimiento probable de la vida de un inserto de carburo, desafortunadamente dicha ecuación no es conveniente aplicarla debido a las dinámicas propias de las líneas de producción de una empresa internacional cuyos volúmenes de producción son aproximadamente entre 10 y 15 mil piezas mensuales. Por lo que manejar y controlar factores como: Varios modelos de piezas de trabajo (forja), diferentes condiciones de corte, diferentes geometrías de insertos, aplicación de soluble, mantenimientos preventivos y correctivos, manufactura de prototipos, cambios repentinos en la programación de la producción semanal, etc., son algunos factores que intervienen durante el proceso, es decir, desde el punto de vista estadístico es muy complejo y tardado involucrar dichos factores. Tabla 4. El rendimiento del inserto del proveedor B es aproximadamente diez veces mayor, que el rendimiento de la herramienta del proveedor A. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE VIDA DE LOS INSERTOS MONITOREADOS PROVEEDOR A Piezas maquinadas por filo [Pieza/filo]

6 Varianza Media 53 Tiempo ciclo [min/pieza] 0.29 PROVEEDOR B Piezas maquinadas por filo [Pieza/filo] Varianza Media 554 Tiempo ciclo [min/pieza] 0.24 Durante el desarrollo de la presente investigación, se considera que la vida de una herramienta de corte es un concepto ambiguo, ya que puede entenderse desde diferentes puntos de vista o admitirse distintas interpretaciones, dando pie a la duda, incertidumbre e incluso hasta la confusión. Dicha ambigüedad se debe a las definiciones establecidas por Dieter, Groover, y fabricantes de herramientas de corte [ 1,7,8], pero en función al presente análisis la vida de una herramienta de corte (inserto de carburo) se define como la interacción que existe entre los factores que se muestran en la figura 4 para realizar: el proceso de corte en el menor tiempo posible, maximizar el rendimiento de los insertos en función de las características geométricas, químicas y mecánicas de la herramienta y pieza de trabajo. La implementación de trayectorias y condiciones de corte en función de las fichas técnicas de los insertos utilizados, obteniendo así, un mínimo costo por pieza producida sin sacrificar las características técnicas establecidas por el cliente en la pieza final. Figura 4. Diagrama que muestra los seis factores más importantes para definir el concepto de vida de una herramienta de corte en un maquinado mediante control numérico. Mediante la ecuación 2 se tienen los resultados de la tabla 5 en donde se observa que el tiempo total de la operación es diferente debido a las trayectorias y condiciones de corte, siendo éstos los factores principales para obtener la mayor ponderación en el costo total del proceso de maquinado lo cual se muestra en la figura 5. Tabla 5. La tasa costo máquina para ambos proveedores es (50 $/Hr). COSTO POR CONCEPTO DE MAQUINA PROVEEDOR PROVEEDOR A B Tasa costo maq [$/min] Tiempo total de la operación [min/pieza] Costo total asociado a la maquina [$/pieza]

7 Figura 5. Costo total de las dos herramientas probadas en los tornos de la línea de producción. Es importante hacer notar que el desglose de la ecuación 11 se realizó mediante el análisis mostrado de la tabla 4 a la tabla 10. Normalmente no se toma en cuenta el costo por concepto de carga y descarga ya que para ambos es el mismo, es decir no causa efecto alguno en la comparación del costo total del proceso de maquinado. Así como también en algunas ocasiones el costo por concepto de porta inserto no se toma en cuenta, pero cuando se utilizan barras antivibratorias, brocas, y sujeciones del tipo cambio rápido si debe de tomarse en cuenta dicho costo debido al alto precio del herramental. Tabla 6. En esta tabla se observa la diferencia entre los precios de las herramientas, su costo se obtiene mediante la ecuación 3. COSTO POR FILO DEL INSERTO Precio del inserto [$/Inserto] Número de filos por inserto [filo/inserto] 8 8 Costo por filo del inserto [$/filo] Tabla 7. La tabla muestra el mismo costo por concepto de porta inserto, en donde aproximadamente la vida útil de un porta inserto trabajando en condiciones normales en las líneas de producción es de piezas. Dicho costo se obtiene mediante la ecuación 7. COSTO POR CONCEPTO DE PORTA HERRAMIENTA Precio del porta inserto [$] Rendimiento del porta inserto [Piezas] Costo del porta inserto [$/Pieza] Tabla 8. Muestra el costo que implica realizar el cambio de filo del inserto. Dicho costo se calculó mediante la ecuación 4. COSTO POR CONCEPTO DE CAMBIO DE FILO Costo maquina [$/min] Cambio de Filo [min/filo] Costo por cambio de filo [$/filo] Tabla 9. En esta tabla se muestra que a pesar de que la herramienta del proveedor B es más cara que el proveedor A, debido al alto rendimiento de B, su costo por pieza es mucho menor que A. Estos costos se obtuvieron mediante las ecuaciones 3, 4, 5 y 6. COSTO POR CONCEPTO DE HERRAMIENTA Costos asociados por herramienta [$/filo] Rendimiento de la herramienta [Pieza/Filo] Costo total asociado a la herramienta [$/Pieza] Tabla 10. En la tabla se muestra el costo total del proceso, que es la suma de los costos asociados a la máquina y a la herramienta de corte. 657

8 COSTO TOTAL DEL PROCESOS DE MAQUINADO Costo total asociado a la maquina [$/pieza] Costo total asociado a la herramienta [$/Pieza] Costo total del proceso de maquinado [$/Pieza] Las tablas 11, 12 y 13 son las tablas más importantes durante el desarrollo de la presente aplicación. En la tabla 11 se realiza la proyección anual de los ahorros que se tendrían al utilizar la herramienta del proveedor B al producir piezas al año, es decir se tendría un ahorro de 37,858.0 USD. Mientras que la tabla 12 muestra el beneficio de utilizar la herramienta del proveedor B desde el punto de vista de la producción, es decir, se tornean 248 [Piezas/Hora] lo cual equivale a 91,562 [Piezas/Mes]. Tabla 11. Se muestra que se tuvo una reducción en el costo total asociado al maquinado de 24%. ANÁLISIS Y PROYECCIÓN ECONÓMICA ANUAL Producción anual [piezas/año] Reducción del costo total asociado a la herramienta [$/pieza] Proyección anual del ahorro asociado a la herramienta [$/año] Reducción del costo total asociado a la máquina [$/pieza] % Reducción del costo asociado al maquinado Proyección anual del ahorro asociado a la máquina [$/año] Reducción del costo total asociado al maquinado [$/pieza] Proyección anual del ahorro asociado al maquinado [$/año] Tabla 12. Se muestra que al utilizar la herramienta del proveedor B, se tiene una mayor tasa de producción debido al menor tiempo implementado durante el proceso de arranque de viruta. ANÁLISIS Y PROYECCIÓN MENSUAL DE LA PRODUCCIÓN PROVEEDOR A PROVEEDOR B Tiempo de cambio de filo [min] 1 1 Cambio de Herramienta [min] Tiempo asociado al mov. del operador [min] 0 0 Tiempo total de la operación [min/pieza] Producción [pieza/hora] Producción mensual [pieza/mes] Finalmente la tabla 13 muestra de manera sencilla y resumida las ventajas de utilizar la herramienta B, ya que se incrementa en un 28% la producción, esto debido a una reducción del 17% del tiempo de maquinado. Tabla 13. Se muestra el resumen de la implementación de la herramienta del proveedor B. % Reducción del tiempo ciclo [min/pieza] 17 % Aumento del número de piezas por filo [piezas/filo] 942 % Aumento en la producción [pieza/hora] 28 CONCLUSIONES. Con base a los datos de la tabla 2 se tienen tres observaciones muy importantes. La primera observación se debe a que las condiciones de corte aplicadas al proceso de torneado del proveedor B son de mayor magnitud que las del proveedor A, lo cual disminuye el tiempo de maquinado y por ende disminuye notablemente el costo total de maquinado como se aprecia en la figura

9 Figura 6. Comparación de los costos [$/Pza] de ambos proveedores. Es mejor trabajar con el proveedor B ya que es mas barato y se tiene un aumento en la producción del 28%. La segunda observación está enfocada al tipo de programación, es decir, el proveedor A propuso programar con G97 es decir, que el proceso de corte independientemente de las trayectorias programadas siempre tendrá una velocidad de giro del usillo constante (N=cte) lo cual implica que la velocidad de corte disminuirá o incrementará a medida que se tenga una variación de diámetros durante el proceso, dando como consecuencia un bajo rendimiento del número de piezas/filo (53). En este mismo sentido, el proveedor B propuso una programación con código G96 es decir, velocidad de corte constante, dando como resultado un alto número de piezas/filo (554). La tercera observación se refiere al modelo matemático planteado, que se considera como un recurso con fundamento técnico para seleccionar las condiciones de corte, que impliquen un alto rendimiento en la vida del inserto reduciendo así el costo por concepto de herramienta, y definiendo la implementación de una herramienta de corte en beneficio de la línea de producción. Finalmente la presente investigación muestra de manera concreta el efecto de las condiciones y trayectorias de corte en el $/pieza maquinada, a diferencia de alguna literatura que solo se limitan a hablar de bajos, medios y altos costos lo cual es totalmente insuficiente para la toma de decisiones y de programación de presupuestos. REFERENCIAS. 1. Dieter George E. Mechanical Metallurgy.SI Metric Edition. Mc Graw Hill. London Procedimiento de empresa metalmecánica. Aplicación de herramientas de corte. México Boothroyd Geoffrey. Fundamentals of machining and machine tolos. Marcel Dekker Inc. New York Procedimiento de empresa metalmecánica. Control de herramienta perecedera. México Groover. Fundamentos de manufactura moderna. McGraw-Hill. México