UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE FACULTAD DE INGENIERÍA Departamento de Ingeniería Mecánica Área de Procesos Mecánicos

Transcripción

1 1 INGENIERÍA CIVIL EN MECÁNICA PLAN 2012 GUÍA DE LABORATORIO ASIGNATURA TEORÍA DEL MECANIZADO CÓDIGO NIVEL 05 EXPERIENCIA 476 OPTIMIZACIÓN DE CONDICIONES DE TORNEADO.

2 2 1. OBJETIVO GENERAL Conceptualizar la optimización de los tiempos y costos de fabricación mediante uso de los respectivos modelos de tiempos y de costos de fabricación usados en los procesos de mecanizado, asimismo que identificar en terreno la influencia de la velocidad de corte y la validez de estos modelos aplicados para las operaciones de torneado en un torno CNC. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1. Verificar en laboratorio las diferencias de tiempos de fabricación en el torneado de una pieza en un torno CNC variando la velocidad de corte empleada Comprobar el efecto principal que tiene el parámetro velocidad de corte en la obtención de los tiempos y costos de fabricación en el mecanizado de piezas Verificar, en base a los resultados obtenidos en el laboratorio, la validez de cada uno de los componentes de los modelos de optimización de tiempos y costos de fabricación en el mecanizado de metales Determinar la velocidad de corte que permite obtener el mínimo tiempo de fabricación o la máxima productividad; como la que permite los costos de fabricación mínimos Determinar el rol que cumple el tipo de herramienta que se emplea en el proceso de mecanizado respecto de los resultados de tiempos y costos de fabricación. 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Los procesos de manufactura, en particular en este caso para torneado, se utilizan buscando obtener: Maximizar la rentabilidad del uso de los procesos, lo cual se obtiene mediante la minimización de los costos de fabricación. Maximizar la productividad de los procesos, lo cual se puede obtener mediante la minimización de los tiempos de fabricación. Cumplir los requerimientos de calidad definidos por el cliente. Estos requerimientos deben ser cumplidos, porque de manera contraria el cliente no aceptará la entrega de una pieza o un producto por no cumplir con sus exigencias; en este caso, significa una pérdida para la empresa. En este marco es muy importante tener y aplicar modelos de tiempos y de costos de fabricación, asimismo de considera todas las variables del proceso que inciden en esos resultados, especialmente cuando se trata de optimizar esos parámetros.

3 3 3.1 Optimización de tiempos de fabricación. Empleando el modelo del tiempo de fabricación total se tiene los siguientes componentes: t t m t t t t t t Donde: tfab: tiempo de fabricación total (tiempo total, necesario para fabricar por mecanizado las m piezas solicitadas), en [min] o [h]. tf : tiempo de fabricación por pieza, en [min/pieza] [h/pieza]. tprep: tiempo de preparación (tiempo necesario para que la máquina inicie la fabricación específica de las piezas), en [min] o [h]. tunit : tiempo unitario (tiempo real en que se obtiene una pieza terminada), en [min] o [h]. tp : tiempo principal (tiempo de corte o de contacto de la herramienta con la pieza; característica de cada proceso), en [min] o [h]. tsec: tiempo secundario (tiempo de actividades complementarias al corte, dentro del tiempo unitario), en [min] o [h]. m : tamaño de lote (cantidad total de piezas a fabricar por mecanizado), adimensional. La optimización de los tiempos de fabricación, para obtener su mínimo o la máxima productividad, se realiza a partir de las relaciones indicadas. La optimización de los tiempos de fabricación utiliza, adicionalmente, el modelo de desgaste de las herramientas de corte que se emplean en el mecanizado. En la Figura 3.1 se muestra el Modelo de Taylor para el desgaste de herramienta; mediante ese Modelo se optimiza el parámetro de mayor influencia en la duración de las herramientas, que es la velocidad de corte. Este desgaste se evalúa sobre la base del desgaste en la superficie de incidencia de una herramienta (banda de desgaste) o en la superficie de desprendimiento (cráter de desgaste).

4 4 Figura 3.1 Modelo de Taylor de desgaste de herramientas. El Modelo de Desgaste de Herramientas de Taylor establece que: Donde: v T C vc : velocidad de corte en [m/min]. T : Duración de la herramienta para un criterio de desgaste (ancho banda de desgaste o razón de craterización), en [min]. K : Pendiente de la curva de duración, adimensional. C : Constante de la curva de duración; representa la velocidad de corte teórica para una duración de las herramienta de 1 minuto, en [m/min]. Usando la relación asociada al cambio de herramienta por efecto del desgaste, se tiene: t t

5 5 Con, tsec : tiempo secundario [min] tch : tiempo secundario, que demanda el cambio de la herramienta cuando ésta alcanza su duración, en [min]. NPF : cantidad de piezas que es posible mecanizar con un filo, hasta que la herramienta alcanza su vida útil, adimensional. ts : tiempo secundario, sin considerar el correspondiente al cambio de herramienta, en [min]. Usando las condiciones del proceso, que corresponden a las relaciones que se obtienen en cada proceso de mecanizado; por ejemplo, en torneado de cilindrado de una pieza y la cantidad de piezas por filo NPF, se tiene: v. t. N T t Con: d : diámetro medio de la pieza, en [mm]. n : velocidad de giro de la pieza, en [rpm] lc : largo total del corte, en [mm]. f : avance, en [mm/rev]. T : duración de la herramienta, [min]. tp : tiempo principal para la herramienta, [min]. A partir de las relaciones antes expuestas, se puede tener un modelo matemático para el costo de fabricación unitario tf. En la figura 3.2 muestra la variación cualitativa de cada uno de los términos de la relaciones de los tiempos de fabricación unitarios con respecto a la velocidad de corte. También se muestra que para los tiempos de fabricación unitarios es posible obtener un valor mínimo. Este valor corresponden a la velocidad de corte óptima para obtener el mínimo tiempo defabricación.

6 6 Figura 3.2. Optimización de tiempos de fabricación total. Matemáticamente es posible obtener la relación para el Tiempo Fabricación Mínimo o de Máxima Productividad como: VTM = C t CH K 1 1/ K TTM = - tch (K + 1) ] Con: VTM: Velocidad de corte óptima para tiempo de fabricación mínimo, en [m/min] (V1 en la Figura 3.2) TTM: Duración de la herramienta para velocidad de corte de tiempo de fabricación mínima, en [min].

7 7 3.2 Optimización de costos de fabricación. Los costos directos asociados a la fabricación de piezas por mecanizado se pueden expresar mediante las relaciones: C fab = [C L + C M ] t fab + C Herr + C Mat C f = C fab / m = [C L + C M ] t f + C Herr / m + C Mat / m CHerr = [m CNF]/NPF Donde: Cfab : costo de fabricación total del lote, en [$] Cf : costo de fabricación por pieza, en [$/pieza]. CL : costo horario de la mano de obra que actúa en la fabricación de las piezas, en [$/min] o [$/h]. CM : costo horario por efecto de uso de la máquina que participa en la fabricación, en [$/min] o [$/h]. CHerr : costos totales por concepto de la herramienta que actúa en la fabricación de las piezas, en [$]. CMat : costo total de materiales, en [$]. CNF : costo del filo cortante de la herramienta que produce el corte, en [$/filo] A partir de estas relaciones, la 3.3 muestra la variación cualitativa de cada uno de los términos de las relaciones definidas para los costos de fabricación unitarios con respecto a la velocidad de corte; también se muestra que el costo unitario permite obtener un valor mínimo. Este valor corresponden a la velocidad de corte óptima para la cual se obtiene el menor costo de fabricación por pieza. El costo de fabricación mínimo se puede entonces obtener como: VCM = C K 1 t 60 / C CH TCM = - (K + 1)(tCH + 60 CNF/(CL+CM) C NF L C M 1/ K

8 8 Con: Figura 3.3 Optimización costos de fabricación. VCM: TCM: Velocidad de corte óptimo para costos mínimos de fabricación, en [m/min]. (V2 en la Figura 3.3) Duración de la herramienta para velocidad de corte de costo de fabricación mínimo, en [min]. A partir de las relaciones obtenidas y de las figuras mostradas, se pueden destacar los siguientes resultados: - La velocidad de corte con que se realiza una operación de mecanizado juega un rol preponderante en la minimización tanto de tiempos como de costos de fabricación. - Los valores característicos de la curva de duración de la herramienta (K y CV) con respecto al material que se mecaniza, son parámetros fundamentales que definen los valores óptimos. - Las velocidades de corte para tiempos mínimos de fabricación y para costos mínimos de fabricación son proporcionales a CV. Es decir, el

9 9 intercepto de la curva de duración de una herramienta con el tiempo de duración 1 minuto determina el comportamiento de la herramienta sobre esos valores óptimos. - El tiempo de cambio de herramientas tch juega un rol central en los valores señalados. - Los valores de costos de herramientas y los costos horarios tanto de la máquina herramienta como del operario que se emplean en el mecanizado, también juegan un importante papel para la obtención de los valores óptimos de costos. - Para valores de tiempos de fabricación mínimo, sólo tienen influencia los valores característicos de duración de la herramienta de corte y el tiempo de reposición de la herramienta gastada; por otro lado, para costos de fabricación mínimo, además de los valores señalados, participan los costos de herramientas y los costos horarios de la máquina y del operador. - La velocidad de corte que permite obtener los menores tiempos de fabricación por pieza no coincide con la que permite los menores costos de fabricación por pieza. Por lo tanto, el usuario de los procesos de mecanizado debe definir el criterio con el cual va a mecanizar un pedido específico. 4. MÉTODO A SEGUIR La metodología a seguir en este laboratorio es la siguiente: - Disponer de un torno CNC y la programación de la fabricación de una pieza específica. - Iniciar actividades en el torno CNC, indicando las medidas de seguridad a tomar en consideración. - Mostrar plano de pieza a fabricar. - Montar una barra de material SAE 1020 en le torno CNC - Describir los contenidos de las acciones a realizar en la máquina como actividades de preparación. En este caso, ya se ha confeccionado el

10 10 programa, se ha instalado en la máquina y se han instalado las herramientas con su respectivo seteado. Entregar a los alumnos el dato del tiempo de preparación incurrido en esas acciones. tprep= 60 [min] - Identificar la herramienta a usar: inserto de carburos metálicos con recubrimientos. Considerar los valores característicos de la herramienta: K = - 4,0 Cv = 450 [m/min] - Describir las acciones a tomar en el torno CNC para en la fabricación de la pieza encomendada. Usar una velocidad de corte baja: 150 [m/min], - Tomar el tiempo unitario que se demoró en el torno CNC para la fabricación de la pieza con la velocidad de corte de 150 [m/min]. - Variar la velocidad de corte del programa de fabricación de la misma pieza. Usar una velocidad de corte de 200 [m/min]. - Tomar el tiempo unitario que se demoró en el torno CNC para la fabricación de la pieza con la velocidad de corte de 200 [m/min]. - Variar la velocidad de corte del programa de fabricación de la misma pieza. Usar una velocidad de corte de 250 [m/min]. - Tomar el tiempo unitario que se utilizó en el torno CNC para la fabricación de la pieza con la velocidad de corte de 250 [m/min]. - Entregar los antecedentes del torno CNC: Costo de Máquina CM, Costo Laboral CL, Costo de Material por Pieza CMat/P y Costo de Herramienta por Pieza CHta/P. CM = [$/h] ; CL = [$/h] ; CMat/p = [$/pieza] ; CHta/p = 700 [$/pieza] - Finalizar las acciones con el torno CNC. - Entregar indicaciones respecto de los objetivos a obtener con el informe.

11 VARIABLES A CONSIDERAR Las variables más importantes a considerar en el ensayo son los siguientes: tfab = tiempo fabricación total [min] tprep = tiempo de preparación del proceso en la máquina [min] m = tamaño de lote a fabricar [ - ] ; considerar lote de 100 piezas tunit =tiempo unitario [min/pieza] Cfab = Costo de fabricación total del lote de piezas [$] CM = Costo horario máquina [$/h] o [$/min] CL = Costo horario operador [$/h] o [$/min] CMat/P = costo de materia prima por pieza [$/pieza] CHta/P = costo de herramientas por pieza [$/pieza] Las variables a calcular: VTM VCM tf Cf Np 6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN Los temas más importantes de interrogación son los siguientes: Influencia de las características de la herramienta sobre los tiempos y los costos de fabricación. Efecto de la velocidad de corte sobre los tiempos y costos de fabricación total. La productividad de fabricación, en piezas/h dependiente de la velocidad de corte que se emplee. Validez de los modelos de tiempos y costos de fabricación. Proyección de los resultados obtenidos, cuando se desea fabricar diferente cantidad de piezas.

12 EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR Los instrumentos a usar en esta experiencia son los siguientes: Cronómetro o reloj para determinar los valores de tiempos unitarios del torno CNC. Las características del torno CNC se entregarán como dato. 8.- LO QUE SE PIDE EN EL INFORME Informe con los resultados obtenidos en laboratorio de tiempos y costos de fabricación para el torneado de la misma pieza en el torno CNC, para diferentes velocidades de corte. Proyección de los resultados para determinar la velocidad de corte para obtener tiempos de fabricación mínimos y para obtener costos de fabricación mínimos. Análisis de la validez de los modelos de tiempos y costos de fabricación empleados. 9.- BIBLIOGRAFÍA Sepúlveda, E. Unidad Temática 7, Teoría del Mecanizado USACH, 2015