8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 EXPERIENCIA DOCENTE EN LA APLICACIÓN DE LA NORMATIVIDAD PARA CONTROL GEOMÉTRICO GD&T, EN PARTES MECÁNICAS MEDIANTE AMBIENTES DE CAD Juan Manuel Díaz Salcedo 1 manueldiaz_s@yahoo.com.mx IPN, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán; Departamento de Ingeniería Aeronáutica. D. F., MEXICO RESUMEN Este trabajo presenta la experiencia docente adquirida en la aplicación de las diferentes condiciones de control geométrico y dimensional GD&T sobre zonas funcionales en partes mecánicas, utilizando el software Mechanical Desktop, mediante el uso de las normas ISO y ANSI. Se presentan también las condiciones de representación en dibujos mecánicos de esta normatividad, las cuales son de gran interés en ambientes industriales durante el proceso de diseño, manufactura y control de sistemas mecánicos. El objetivo de este trabajo es presentar la relevancia de que este conocimiento sea impartido y fortalecido en los alumnos de nivel superior, previo a los estudios de postgrado, a fin de que estos puedan contar con mejores criterios de diseño, los cuales les permitan evitar pérdidas por falta de intercambiabilidad durante el proceso de producción industrial. PALABRAS CLAVE: GPS (Geometrical Product Specification) Especificaciones Geométricas del Producto; GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) Tolerancias y Dimensionamiento Geométrico. Funcional (requisitos del diseño geométrico de una pieza que garantizan el correcto de desempeño del producto o pieza) Área Temática: Formación Código: Profesor de la carrera de Ingeniería Aeronáutica, Academia de Tecnología, Instituto Politécnico Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Ticomán; Av. Ticomán 600, San José Ticomán, Delegación Gustavo A. Madero, 07340, México D. F., MÉXICO; manueldiaz_s@yahoo.com.mx. Profesor Titular, Presidente de la Academia de Tecnología.

2 INTRODUCCIÓN GPS (Geometrical Product Specifications) Especificaciones Geométricas del Producto bajo las Normas ISO y Reportes Técnicos [1] ó GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) Tolerancias y Dimensionamiento Geométrico como se conoce en los Estados Unidos de América, bajo las Normas ANSI ò ASME Y14.5M-1994[2] que desplaza a la ANSI Y14.5M Estas Normas utilizan un lenguaje internacional de símbolos para expresar las tolerancias y requisitos en dibujos técnicos. El lenguaje de tolerancias tradicional tiene sus raíces en 1930 pero ha evolucionado significativamente en los últimos 15 años, de unas reglas normalizadas a un lenguaje comprensivo de símbolos que puede simular la función de la pieza. Este lenguaje ha sido desarrollado en ISO, con la participación de más de 60 países y documentado en más de 100 normas internacionales que hacen un total aproximado de 2500 páginas. Estas normas no contienen suficiente información sobre como debe aplicarse la simbología propuesta. Para poder lograr esto es necesario formar diseñadores en el procedimiento adecuado para aplicar estas especificaciones en los dibujos, tal que expresen los requisitos funcionales de las piezas. Antes de aplicarse estas nuevas normas sobre los dibujos, se imponían restricciones no necesarias y en algunos casos permitían que piezas que no cumplían con condiciones de montaje controlado fueran aceptadas y pasaran al ensamble, la aplicación de las nuevas normas beneficia la reducción de los costos de fabricación al eliminar este tipo de pérdidas. La función primaria de los dibujos técnicos de un producto, es llevar el diseño y sus requisitos a los responsables de fabricar el producto. Esto se hace enfocándose principalmente en las tolerancias empleadas en el dibujo, por lo que solo aquellos requisitos que se indiquen en el dibujo pueden esperarse que sean cumplidos no debe haber ningún requisito oculto. Este tipo de conocimientos se enseñan actualmente en algunas escuelas de ingeniería a nivel licenciatura en México, pero no se formaliza el aspecto normativo con el manejo de las normas GD&T, esto ha ocasionado que la gran mayoría de los dibujos empleados en la industria hoy en día no expresan realmente los requisitos funcionales de las piezas y por otro lado el egresado de licenciatura no pueda interpretar correctamente los dibujos que le son proporcionados en áreas de manufactura, proceso e inspección y mucho menos tener la información necesaria para poder proponer uno de ellos con la calidad y funcionalidad necesarias. Al integrar estas especificaciones en los dibujos técnicos, se obtienen importantes reducciones en los costos de fabricación y en las interrupciones de trabajo por piezas que detienen las líneas de ensamble. Se podría decir que algunas compañías piensan que tienen otro tipo de problemas cuando en realidad es la documentación del producto y las tolerancias de sus dibujos lo que es insuficiente. La reducción de costos es mayor especialmente en aquellas empresas que subcontratan la fabricación de piezas, ya que tienen necesidad de que sus dibujos sean capaces de comunicar requisitos funcionales sin ningún tipo de explicaciones posteriores. La incertidumbre de especificación crea problemas tanto técnicos como económicos especialmente cuando los departamentos de diseño y desarrollo y el taller que fabrica las piezas están muy separados especialmente si ellos no hablan un lenguaje común. Usualmente los diseñadores están acostumbrados a pensar en términos de geometrías perfectas presentadas en pantallas de CAD o en el dibujo, piensan a menudo que estos requisitos geométricos están implícitos. El lenguaje de símbolos que se emplea en los dibujos se ha extendido, modernizado e internacionalizado en los últimos 15 años. Esto ha dado lugar a nuevos requisitos basados en nuevos desarrollos tecnológicos y de las necesidades que han surgido en la globalización y en la fabricación externa de piezas. Por esto es que es necesario que los estudiantes de licenciatura formalicen desde los inicios de la carrera el uso de esta normatividad. GD&T, es un lenguaje de comunicación mas detallado y preciso que comunica mas ampliamente al personal de diseño, fabricación y metrología. En GD&T, el lenguaje se símbolos se ha vuelto mucho mas detallado y especifico, lo cual da al diseñador mayor flexibilidad para modificar las indicaciones de tolerancia y expresar lo que son los requisitos funcionales. La experiencia ha demostrado que el sistema de tolerancias tradicional obliga al diseñador a emplear tolerancias mas pequeñas que las utilizadas con GPS, lo cual lleva a problemas completamente innecesarios en la fabricación y en la medición. La mayoría de las instituciones educativas no han incluido todavía GPS en sus programas de estudio y dedican muy pocas horas a las reglas de tolerancia y control geométrico así como a fortalecer la calidad de los dibujos que regularmente requiere el alumno durante su carrera de ingeniería. Lo cual continúa ocasionando grandes pérdidas en el sector industrial. ASPECTOS METODOLÓGICOS La institución en la que me desempeño se encarga de formar alumnos en la Carrera de Ingeniería Aeronáutica. Los temas tratados sobre diseño mecánico son los mismos que los propuestos en la carrera de Ingeniería Mecánica, por lo que la información proporcionada es valida para ambas especialidades. La carrera de Ingeniería Aeronáutica en México esta formado por ocho semestres. Los primeros cuatro de la carrera son común para todos los alumnos, a

3 partir del quinto semestre el alumno decide entre dos opciones ò especialidades Operaciones-Aeropuertos y Diseño. En el tronco común todos los alumnos se capacitan en el manejo de alguna herramienta de CAD en la escuela se ofrecen a ese nivel dos posibilidades AutoCAD y Unigraphics este ultimo con su modulo de modelado para dibujo (NX4). Apartir del quinto semestre a los alumnos de la especialidad de Diseño se les capacita para el uso más formal de las herramientas de CAD a través del modelado paramétrico mediante Mechanical Desktop y NX4. En el sexto semestre se inicia trabajo con ensambles mecánicos en el cual se capacita al alumno en el manejo de las partes estandarizadas con que cuenta el software de diseño antes mencionado. En este nivel se inicia la capacitación del alumno en lo referente al uso de las normas de tolerancias y control geométrico GD&T y GPS de ASME e ISO respectivamente. En el octavo semestre el alumno presenta un proyecto donde se involucren los diferentes aspectos normativos para la representación de un dibujo de partes y de un ensamble apoyado en forma adicional en ambientes de CAE y CAM, en este proyecto se hace insistencia en la aplicación de la simbología de control geométrico necesaria para la correcta definición de la parte correspondiente. Los resultados de estos trabajos se presentan en los manuales de AutoCAD Básico [3], AutoCAD Intermedio [4] y AutoCAD Avanzado [5] y Modelado Paramétrico de Partes Mecánicas en proceso de publicación [6] y Modelado Paramétrico de Ensambles (en proceso) [7] trabajos derivados y autorizados en diferentes propuestas de investigación en el Instituto Politécnico Nacional de México, desde el año 2004 a la fecha. Se seleccionaron dos de los trabajos presentados por alumnos del sexto semestre durante el primer departamental de tres obligatorios con que se son evaluados durante el curso. Estos avances recientes en la forma de conducir al alumno en el proceso de diseño mecánico, han servido de base, para que al termino de la carrera mediante la opción de titulación profesional para obtener el grado académico de Ingeniero en Aeronáutica, se presente información de mas avanzada respecto de la normatividad GD&T, en el Seminario para Titulación: Ingeniería y Manufactura Asistida por Computadora, esto esta fortaleciendo el nivel de posgrado y tiene un impacto importante en el desempeño de estos estudiantes durante su incursión en el campo profesional. En estos niveles se tratan aspectos sobre las técnicas de acotación funcional, propuestas también en la normatividad GD&T. ALCANCES DEL TRABAJO Se presentan los casos más comunes en la definición de tolerancias y control geométrico de piezas mecánicas, no se describen los procedimientos para la selección de las diferentes tolerancias propuestas. Se utiliza el software Mechanical Desktop para la selección de la simbología de control correspondiente (Normas ISO y ASME) Se presentan los casos más comunes de control geométrico tolerancias dimensionales y acabados superficiales, no se dan detalles de la manera en que se proponen las diferentes tolerancias, solo se muestran los resultados y su representación mediante ambientes de CAD en un dibujo. Este trabajo pretende mostrar la importancia de iniciar al alumno en sus etapas mas tempranas en la carrera de Ingeniería Mecánica, e Ingeniería Aeronáutica y carreras afines, en el conocimiento de la normatividad GD&T de ASME y GPS de ISO en el control normativo de las diferentes etapas que forman la presentación de un dibujo de ensamble y de partes mecánico, a fin de incursionar con mayores recursos y potencialidad en su desarrollo profesional. DESARROLLO Primeramente se capacito al alumno en el modelado geométrico de piezas mecánicas mediante Software de Diseño, en este caso se utilizo Mechanical Desktop, en esta etapa se formalizo el conocimiento del alumno respecto a la normatividad para representar correctamente, las diferentes vistas ortogonales, cortes, cuadros de referencia y aspectos normativos de dimensionamiento. Con este conocimiento y el curso recibido durante el quinto semestre sobre procesos de manufactura, se inicia en el sexto semestre el proceso de capacitación en lo referente a tolerancias dimensionales, geométricas, acabados superficiales y del cálculo de ajustes, aspectos todos ellos relacionados con la normatividad GD&T. Se hace especial insistencia en la representación de ensambles mecánicos y la normatividad de representación correspondiente bajo normas ISO. En las siguientes figuras se muestran dos ensambles y una selección de dos de las partes que los forman, en cada caso se pueden observar la insistencia en manejar los aspectos de normatividad para la presentación de la información necesaria tanto en el ensamble como en la parte así como las forma de correlacionarlos a través de la numeración adecuada del ensamble y de la parte correspondiente. Los resultados obtenidos por los alumnos del sexto semestre, pertenecen a un informe correspondiente al primer examen departamental de tres posibles para acreditar el curso correspondiente, esto hace un total de 40 horas de presentación del tema frente al grupo

4 De acuerdo a esto, se pueden observar tres niveles en la presentación del dibujo de una parte: primero el dibujo o modelo de la pieza correspondiente, segundo el cuadro de referencia y los datos correspondientes y tercero las dimensiones y el control geométrico, una correcta definición de esta ultima etapa puede ayudar de manera importante en la disminución del los costos de fabricación, ensamble e inspección. Fig. 1: Ensamble No 1, muestra identificación de partes ajustes de ensamble, lista de materiales, escalamientos, documentados bajo Normas ISO y GD&T Fig. 2: Pieza No 2 del Ensamble No 1, muestra: ajuste, control geométrico, tolerancias dimensionales, acabado superficial, material, tratamiento térmico, dureza, descripción del ajuste, tolerancias generales, documentados bajo normas ISO y GD&T

5 Fig. 3: Pieza No 3 del Ensamble No 1, muestra: control geométrico, tolerancias dimensionales, acabado superficial, material, tratamiento térmico, dureza, descripción del ajuste, tolerancias generales, documentados bajo normas ISO y GD&T Fig. 4: Ensamble No 2, muestra: identificación de partes, ajustes de ensamble, lista de materiales, simbología de cortes, cortes especificación de ajustes, tolerancias generales, documentados bajo normas ISO y GD&T

6 Fig. 5: Pieza No 2 del Ensamble No 2, muestra: control geométrico, tolerancias dimensionales, acabado superficial, descripción de acabado superficial, material, tratamiento térmico, dureza, descripción del ajuste, tolerancias generales, documentados bajo normas ISO y GD&T Fig. 6: Pieza No 4 del Ensamble No 2, muestra: control geométrico, tolerancias dimensionales, acabado superficial, descripción de acabado superficial, material, tratamiento térmico, dureza, descripción del ajuste, tolerancias generales, documentados bajo normas ISO y GD&T

7 CONCLUSIONES GENERALES Este trabajo permite observar los logros alcanzados por un estudiante de sexto semestre capacitado en el manejo del software apropiado para la aplicación de los elementos básicos de las normas GPS y GD&T. Al término del curso el alumno empieza a entender y formalizar su conocimiento de la normatividad y de la gran cantidad de términos y tablas que son necesarias consultar, para la correcta definición de una pieza mecánica y de un ensamble. Sin este conocimiento previo el alumno no cuenta con la información básica necesaria para de inicio poder interpretar los diferentes dibujos industriales que en el sector manufacturero tendrá que analizar. Durante el proceso de capacitación del alumno en el uso de esta normatividad, empieza a considerar y a familiarizarse con los siguientes aspectos: GD&T, provee una técnica clara y concisa para definir un sistema de coordenadas de referencia sobre un componente o ensamble durante su fabricación y en el proceso de inspección. El empleo del sistema GD&T es uno de los mayores y mas económicos desarrollos que ha tenido lugar en los últimos años en la fabricación de productos mecánicos. Todos los sistemas de CAD pueden emplear el sistema GPS tanto en dos dimensiones como en tres dimensiones. Sin embargo el sistema CAD, no puede llevar a cabo la aplicación de las tolerancias por cuenta propia, es el conocimiento humano y la experiencia las que permitirán una correcta definición de una tolerancia y de un control empleando el sistema CAD como una herramienta. Inicia su proceso de aprendizaje en la identificación de zonas funcionales y no funcionales en la geometría de la pieza y del ensamble. Identifica que las tolerancias en el dibujo son el factor más influyente para determinar los costos de fabricación del producto y que por lo tanto las tolerancias cerradas elevan innecesariamente los costos de fabricación Con la correcta aplicación de estas nuevas normas el alumno podrá identifica gradualmente que tolerancias críticas en el dibujo. GD&T, provee una aplicación apropiada de dimensionamiento geométrico durante las consideraciones de del proceso de diseño mecánico y de diseño para manufactura El dimensionamiento geométrico reduce drásticamente la necesidad de notas de dibujo para describir requerimientos de geometrías complejas sobre un componente o ensamble mediante el uso de simbología normalizada para definir los requerimientos de diseño, manufactura e inspección. Algunos conceptos como MMC (condición máxima de material) cuando se aplican apropiadamente, facilitan y simplifican el diseño con reducciones de costo en el uso de calibres de verificación (gages) y en la manufactura de de jigs (dispositivos) y fixtures (herramental). GD&T, ayuda a mejorar la comunicación entre las áreas de diseño, manufactura y calidad al considerar el dimensionamiento geométrico y tolerancias GD&T como su norma de dibujo mecánico. Si los dibujos de una compañía están basados en tolerancias tradicionales, pueden obtenerse productos mas baratos empleando las tolerancias GPS en dibujos técnicos por lo que es necesario la continua capacitación en el uso e interpretación del sistema GD&T. Con la aplicación de estudios de tolerancias y ajustes en sistemas mecánicos se logran básicamente dos tipos de beneficios: Industriales (Intercambiabilidad, montajes económicos, fabricación realizada por distintos operarios, talleres o fabricas) y Sociales un abaratamiento en los productos, lo que ha permitido la adquisición de productos que en otros tiempos era difícil y costoso. REFERENCIAS 1.- ISO 1101:2004(E) GPS- Geometric Tolerancing-tolerance of form, orientation, location and run-out ISO 5458:1987 GPSTechnical drawings-geometrical Tolerancing-Positional tolerancing ISO 1660:1987 GPSTechnical drawings-dimensioning and Tolerancing of profiles ISO 5459:1981 GPSTechnical drawings-geometrical Tolerancing-Datums and datum systems for geometrical tolerances ISO 10578:1992 GPSTechnical drawings-tolerancing of orientation and location-proyected tolerance zone ISO 16792:2006(E) GPSTechnical product documentation-digital product definition data practices ISO 129-1:2004 GPSTechnical drawings-indication of dimensions and tolerances ISO :1999 GPSTechnical drawings-general principles of representation-basic conventions and applications for leader lines and reference lines

8 ISO :1999 GPS Geometric Product Specifications (GPS)-Geometrical features-general Terms and definitions ISO/TR (E) GPSGeometrical tolerancing-tolerancing for, orientation, location and run-out- Verification principles and methods-guidelines ISO 1101:2004(E) GPS Geometric Characteristic Symbology 2.- ASME Y14.5M-1994 Dimensioning and Tolerancing 3.- Juan Manuel Díaz Salcedo, AutoCAD Básico en Dos Dimensiones, Editorial IPN, México D. F., MEXICO, Juan Manuel Díaz Salcedo, AutoCAD Intermedio en Dos Dimensiones, Editorial IPN, México D. F., MEXICO, Juan Manuel Díaz Salcedo, AutoCAD Avanzado en Tres Dimensiones, Editorial IPN, México D. F., MEXICO, Juan Manuel Díaz Salcedo, Mechanical Desktop, Modelado Paramétrico de Partes Mecánicas. Propuesta de investigación IPN México 2006, en tramite de publicación Editorial IPN México Juan Manuel Díaz Salcedo, Mechanical Desktop Modelado Paramétrico de Ensambles Mecánicos. Propuesta de Investigación IPN México 2007, en proceso.

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