1 INGENIERÍA CIVIL EN MECÁNICA PLAN 2012 GUÍA DE LABORATORIO ASIGNATURA TEORÍA DEL MECANIZADO CÓDIGO 15147 NIVEL 05 EXPERIENCIA 477 COMPARACIÓN DE TIEMPOS Y COSTOS DE FABRICACIÓN EN FRESADO.
2 1. OBJETIVO GENERAL Conceptualizar los modelos de tiempos y de costos de fabricación usados en los procesos de mecanizado, asimismo que identificar en terreno los componentes y validez de estos modelos aplicados para las operaciones de fresado en una fresadora convencional y en una CNC. 2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS 2.1. Conocer las diferencias de operación en la fabricación de una pieza mediante un proceso de fresado, usando una fresadora convencional y una CNC. 2.2. Establecer el rol del operario en cada una de las máquinas identificadas, asimismo que los aspectos de seguridad necesarios de aplicar en el uso de esas máquinas. 2.3. Conocer y determinar los tiempos preparación y tiempo unitario de fabricación, al fresar la misma pieza en ambas máquinas. 2.4. Proyectar los resultados de tiempos de fabricación, si hubiese que fabricar gran cantidad de piezas. 2.5. Con los resultados de tiempos de preparación y unitarios determinados, aplicar el modelo de costos de fabricación para diferente cantidad de piezas a fabricar. 3. INTRODUCCIÓN TEÓRICA Los procesos de manufactura son un medio a través del cual las empresas manufactureras, usuarias de estos procesos, pueden obtener sus objetivos empresariales. Por otra parte, con el empleo de los procesos de fabricación con desprendimiento de viruta se obtiene la transformación de una pieza en bruto, o semielaborada, en una pieza semielaborada o terminada cumpliendo con los requerimientos de calidad solicitados. En la Figura 3.1 se muestra como ejemplo una plancha en bruto en comparación con la pieza en operación de fresado, mediante la cual se realiza una ranura con una fresa frontal. En el contexto señalado, se pueden mencionar los siguientes objetivos empresariales principales, a los cuales puede apuntar el aporte de los procesos de manufactura: 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.
3 Figura 3.1. Pieza en bruto y pieza en operación de fresado. 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. 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. 3.1 Modelo de tiempos de fabricación. La fabricación de una pieza usando un proceso de mecanizado en una máquina herramienta, en este caso una fresadora, puede dividirse en dos etapas secuenciales: la preparación del proceso en la fresadora y la operación destinada a la fabricación individual de las piezas. De esta manera se puede expresar el tiempo de fabricación total como la adición de ambos componentes: Donde: tfab = tprep + m tunit tfab = tiempo fabricación total en el proceso [min] tprep = tiempo de preparación del proceso en la máquina [min] m = tamaño de lote a fabricar [piezas] tunit = tiempo unitario [min/pieza] En el tiempo de preparación se considera la valorización, en tiempo, de todas aquellas actividades que permiten que la máquina pueda iniciar la fabricación
4 de las piezas consideradas. Es decir, comprende actividades de: lectura y entendimiento del plano, recibir instrucciones de la supervisión, montaje de herramientas y dispositivos (prensas, fresas, dispositivos, etc.). En este tiempo de preparación se considera igualmente las actividades realizadas al final de la fabricación de las piezas, como desmontaje de las herramientas, limpieza y lubricación de la fresadora. Por su parte, en el tiempo unitario se considera la valorización, en tiempo, de todas aquellas actividades destinadas a la fabricación de una pieza. Estas actividades se repetirán tantas veces como sea la cantidad de piezas a fabricar. Figura 3.2 Tiempo de fabricación total en función del tamaño de lote a fabricar. En la Figura 3.2 se aprecia la representación del tiempo de fabricación total en función del tamaño de lote. Se puede apreciar que esta representación corresponde a una recta, donde: el tiempo de preparación represente el intercepto de la recta con el eje de las ordenadas, el tiempo unitario determina la pendiente de la recta. En la Figura 3.3 se muestra la situación de fabricación de una pieza específica, expresada mediante la representación de los tiempos de fabricación total para los casos de usar dos tipos de fresadoras. Se puede apreciar que la Fresadora 1 será la que brinde menores tiempos de fabricación total para baja cantidad de piezas a fabricar; en cambio, la Fresadora 2 será la que permita menores tiempos de fabricación para gran cantidad de piezas a fabricar.
5 Figura 3.3. Tiempos de fabricación total al usar diferentes fresadoras A partir de la representación del tiempo de fabricación total se pueden deducir dos aspectos importantes para obtener los menores tiempos totales: Para una producción a pedido, de baja cantidad de piezas a fabricar, el parámetro más influyente en el tiempo de fabricación total, es el tiempo de preparación. Por lo tanto, procesos con bajo tiempo de preparación serán aptos para tamaños de lote pequeño. Para una producción en serie, tamaños de lote grandes, el parámetro más influyente en la obtención del tiempo de fabricación total, es el tiempo unitario. Por ello, los procesos que permiten obtener bajos tiempos unitarios de fabricación de piezas, serán más convenientes para la fabricación de gran cantidad de piezas. 3.2 Modelo de costos de fabricación. Los elementos principales que participan en los costos directos de fabricación de una pieza, usando los procesos de fabricación con desprendimiento de viruta son: Máquinas Operario Herramientas Materiales. Para los costos directos de fabricación total de una pieza específica, con el uso de un proceso en una máquina con un operario, se puede desarrollar la siguiente expresión:
6 Cfab = CMaq + CMO + CMat + CHtas Donde: Cfab = Costo de fabricación total del lote de piezas [$] CMaq = Costo de fabricación por uso del recurso máquina [$] CMO = Costo de fabricación por uso del recurso mano de obra [$] CMat = Costo de fabricación por uso del recurso material en bruto [$] CHtas = Costo de fabricación por uso del recurso herramientas [$] El uso de cada uno de esos recursos productivos puede determinarse mediante las relaciones: CMaq = tfab CM CMO = tfab CL CMat = m CMat/P CHta = m CHta/P Donde se ha definido: CM = Costo horario máquina [$/h] o [$/min] CL = Costo horario operador [$/h] o [$/min] CMat/P = costo de material por pieza [$/pieza] CHta/P = costo de herramientas por pieza [$/pieza] Reemplazando las relaciones antes presentadas y tomando en consideración la ecuación de tiempo de fabricación total, se obtiene finalmente para la fabricación total de un tamaño de lote de piezas en una máquina, con un operario, la siguiente relación final para los costos totales de fabricación:
7 Cfab = tprep (CL + CM) + m [ tunit (CL + CM) + CMat/P + CHta/P ] Si se grafica el costo de fabricación total en función del tamaño de lote de piezas a fabricar, se obtiene la recta que se muestra en la Figura 3.4. Figura 3.4. Costos de fabricación total en función del tamaño de lote. A partir de esta representación se puede verificar que: Para tamaños de lote pequeños, producción individual, el intercepto de la recta con el eje de las ordenadas juega un rol preponderante; es decir el tiempo de preparación multiplicado por la suma de los costos horarios de la máquina y del operario. Para una producción en serie, grandes tamaños de lote, la pendiente de esta recta jugará un rol fundamental; es decir, el tiempo unitario multiplicado por la suma de los costos horarios de la máquina y el operador, además del costo por pieza de la materia prima y las herramientas. El análisis de la situación de los costos de fabricación de una pieza, en diferentes máquinas, permitirá establecer cual de las máquinas permite obtener los menores costos totales. Los parámetros asociados al proceso en realización definen la situación de costos que sería la más ventajosa económicamente, especialmente cuando se tiene máquinas alternativas para realizar la fabricación correspondiente. En este contexto, los costos de máquina y los parámetros de los tiempos de fabricación (tiempo de preparación y unitario) definen las condiciones que serán las económicas.
8 4. MÉTODO A SEGUIR La metodología a seguir en este laboratorio es la siguiente: - Disponer de una fresadora convencional y una fresadora CNC. - Iniciar actividades en la fresadora convencional, indicando las medidas de seguridad a tomar en consideración. - Mostrar el tipo de pieza a fabricar. - Disponer de barra plana de acero SAE 1020 para fabricar la pieza. - Describir las acciones a tomar para preparar la fresadora convencional en la fabricación de la pieza encomendada. - Medir el tiempo de preparación de la fresadora convencional, necesario para la fabricación de la pieza. - Describir las acciones a tomar para en la fabricación de la pieza encomendada. - Tomar el tiempo unitario que se utilizó en la fresadora convencional para la fabricación de la pieza. - Tomar las dimensiones obtenidas en la pieza fabricada en la fresadora convencional. - Entregar los antecedentes de la fresadora convencional: Costo de Máquina CM, Costo Laboral CL, Costo de Material por Pieza CMat/P y Costo de Herramienta por Pieza CHta/P: tprep = 21 [min] CM = 12.000 [$/h] CL = 3.000 [$/h] CHta/P = 300 [$/pieza] CMat/P = 1.200 [$/pieza] - Iniciar actividades en la fresadora CNC, haciendo énfasis en los temas de seguridad y el rol del operario.
9 - Describir los contenidos de las acciones a realizar en la máquina como actividades de preparación. En este caso, ya se ha confeccionado el programa, se ha instalado en la máquina y se han instalado las herramientas con su respectivo seteado. Entregar a los alumnos el dato del tiempo de preparación incurrido en esas acciones. - Fabricar la pieza en la fresadora CNC y medir el tiempo unitario empleado en la fabricación de la pieza. - Tomar las dimensiones obtenidas en la pieza fabricada en la fresadora CNC. - Entregar los antecedentes de la fresadora CNC: Costo de Máquina CM, Costo Laboral CL, Costo de Material por Pieza CMat/P y Costo de Herramienta por Pieza CHta/P: tprep = 69 [min] CM = 30.000 [$/h] CL = 2.000 [$/h] CHta/P = 300 [$/pieza] CMat/P = 1.200 [$/pieza] - Finalizar las acciones con las máquinas mencionadas. - Entregar indicaciones respecto de los objetivos a obtener con el informe. 5.- VARIABLES A CONSIDERAR Las variables más importantes a considerar en el ensayo son los siguientes: tfab = tiempo fabricación total del fresado de la pieza[min] tprep = tiempo de preparación del proceso en la respectiva fresadora [min] m = tamaño de lote a fabricar [ - ] tunit =tiempo unitario en el fresado de la pieza [min/pieza] Cfab = Costo de fabricación total del lote de piezas [$] CM = Costo horario de máquina fresadora [$/h] o [$/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]
10 6.- TEMAS DE INTERROGACIÓN Los temas más importantes de interrogación son los siguientes: Desarrollo del fresado mediante la acción de la herramienta fresa (herramienta polifilo) como proceso discontinuo. Diferencias de tiempos unitarios y de tiempos de preparación en la fabricación de la pieza. Diferencias en las mediciones obtenidas en las piezas, tanto en la fresadora convencional como en la CNC. Diferencia de los elementos participantes en los costos, tanto para la fresadora convencional, como para la fresadora CNC. Diferencias en los costos totales de fabricación, para ambas máquinas. Proyección de los resultados obtenidos en ambas máquinas, cuando se desea fabricar diferente cantidad de piezas. 7.- EQUIPOS E INSTRUMENTOS A UTILIZAR Los instrumentos a usar en esta experiencia son los siguientes: Pié de metro para medir resultados dimensionales de las piezas fabricadas en ambas máquinas. Cronómetro o reloj para determinar los valores de tiempos unitarios y tiempo de preparación de la fresadora convencional. El tiempo de preparación de la fresadora CNC se entregará como dato. 8.- LO QUE SE PIDE EN EL INFORME Informe con los resultados obtenidos en laboratorio para la fabricación de la misma pieza en ambas máquinas, asimismo que los tiempos y los costos totales calculados. Proyección de los resultados para diferente cantidad de piezas a ser fabricadas, considerando ambas máquinas como opciones económicas y productivas. 9.- BIBLIOGRAFÍA Sepúlveda, E. Unidades Temáticas 1 y 10, Teoría del Mecanizado USACH, 2015