Mecanizado

El mecanizado es un proceso de fabricación en el que se crea una forma o pieza deseada mediante la eliminación controlada de material, generalmente metal, de una pieza más grande de materia prima mediante corte. El mecanizado es una forma de fabricación sustractiva [ ^1] que utiliza máquinas herramienta , en contraste con la fabricación aditiva (por ejemplo, la impresión 3D ), que utiliza la adición controlada de material.

El mecanizado es un proceso importante en la fabricación de muchos productos metálicos , pero también se puede utilizar en otros materiales como madera , plástico , cerámica y compuestos . ^[2] Una persona que se especializa en el mecanizado se llama maquinista . Como empresa comercial, el mecanizado generalmente se realiza en un taller de máquinas , que consta de una o más salas de trabajo que contienen máquinas herramienta primarias. Aunque un taller de máquinas puede ser una operación independiente, muchas empresas mantienen talleres de máquinas internos o salas de herramientas que respaldan sus necesidades especializadas. Gran parte del mecanizado moderno utiliza control numérico por computadora (CNC), en el que las computadoras controlan el movimiento y el funcionamiento de fresadoras , tornos y otras máquinas de corte.

El significado preciso del término mecanizado ha cambiado durante el último siglo y medio a medida que la tecnología ha avanzado de diversas maneras. En el siglo XVIII, la palabra maquinista significaba una persona que construía o reparaba máquinas . El trabajo de esta persona se hacía principalmente a mano, utilizando procesos como el tallado de madera y la escritura, la forja y el limado manual del metal. En ese momento, los mecánicos y los constructores de nuevos tipos de motores (es decir, más o menos, máquinas de cualquier tipo), como James Watt o John Wilkinson , encajaban en la definición. El sustantivo máquina herramienta y el verbo mecanizar ( mecanizar, maquinizar ) aún no existían. ^{[ cita requerida ]}

A mediados del siglo XX, se acuñaron estas últimas palabras a medida que los conceptos que describían evolucionaron hasta alcanzar una existencia generalizada. Por lo tanto, durante la Era de las Máquinas , el mecanizado se refería a (lo que hoy podríamos llamar) los procesos de mecanizado "tradicionales", como torneado , taladrado , perforado , fresado , brochado , aserrado , conformado , cepillado , corte abrasivo , escariado y roscado . ^[3] En estos procesos de mecanizado "tradicionales" o "convencionales", se utilizan máquinas herramienta , como tornos , fresadoras , taladros de columna u otras, con una herramienta de corte afilada para eliminar material y lograr una geometría deseada. ^[4]

Desde la aparición de nuevas tecnologías en la era posterior a la Segunda Guerra Mundial, como el mecanizado por descarga eléctrica , el mecanizado electroquímico , el mecanizado por haz de electrones , el mecanizado fotoquímico y el mecanizado ultrasónico , se puede utilizar el retrónimo "mecanizado convencional" para diferenciar esas tecnologías clásicas de las más nuevas. Actualmente, "mecanizado" sin calificación suele implicar los procesos de mecanizado tradicionales.

En las décadas de 2000 y 2010, a medida que la fabricación aditiva (FA) evolucionó más allá de sus contextos anteriores de laboratorio y prototipado rápido y comenzó a convertirse en estándar en todas las fases de fabricación, el término fabricación sustractiva se volvió común de forma retrógrada en contraste lógico con FA, cubriendo esencialmente cualquier proceso de eliminación también cubierto anteriormente por el término mecanizado . Los dos términos son efectivamente sinónimos , aunque el uso establecido desde hace mucho tiempo del término mecanizado continúa. Esto es comparable a la idea de que el sentido verbal de contacto evolucionó debido a la proliferación de formas de contactar a alguien (teléfono, correo electrónico, mensajería instantánea, SMS, etc.) pero no reemplazó por completo los términos anteriores como llamar , hablar con o escribir a . ^{[ cita requerida ]}

El mecanizado es cualquier proceso en el que una herramienta de corte elimina material de la pieza de trabajo (la pieza de trabajo a menudo se denomina "trabajo"). En el mecanizado tradicional, se requiere un movimiento relativo entre el dispositivo y el trabajo para eliminar material; los procesos de mecanizado no tradicionales utilizan otros métodos de eliminación de material, como la corriente eléctrica en la electroerosión (mecanizado por descarga eléctrica). Este movimiento relativo se logra en la mayoría de las operaciones de mecanizado moviendo (mediante un movimiento lateral rotatorio o lateral) la herramienta o la pieza de trabajo. La forma de la herramienta, el movimiento relativo y su penetración en el trabajo producen la forma deseada de la superficie de trabajo resultante.

Las operaciones de mecanizado se pueden dividir en operaciones tradicionales y no tradicionales. Dentro de las operaciones tradicionales, hay dos categorías de mecanizado en función de la forma que mecanizan: formas circulares que incluyen: torneado, taladrado, perforado, escariado, roscado y más, y formas diversas/rectas que incluyen: fresado, brochado, aserrado, rectificado y conformado.

Una herramienta de corte tiene uno o más bordes cortantes afilados y está hecha de un material más duro que el material de trabajo. El borde cortante sirve para separar la viruta del material de trabajo original. Conectadas al borde cortante están las dos superficies de la herramienta:

• La cara del rastrillo; y
• El flanco.

La cara de ataque, que dirige el flujo de la viruta recién formada, está orientada en un ángulo determinado y se denomina ángulo de ataque "α". Se mide en relación con el plano perpendicular a la superficie de trabajo. El ángulo de ataque puede ser positivo o negativo. El flanco de la herramienta proporciona una holgura entre la herramienta y la superficie de trabajo recién formada, protegiendo así la superficie de la abrasión, que degradaría el acabado. Este ángulo entre las superficies de trabajo y del flanco se denomina ángulo de alivio. Existen dos tipos básicos de herramientas de corte:

• Herramienta de un solo punto; y
• Herramienta de múltiples filos

Una herramienta de una sola punta tiene un filo de corte para tornear, taladrar y cepillar. Durante el mecanizado, la punta del dispositivo penetra por debajo de la superficie de trabajo original de la pieza de trabajo. A veces, la punta se redondea hasta un radio determinado, llamado radio de punta.

Las herramientas de múltiples filos tienen más de un filo de corte y, por lo general, logran su movimiento en relación con la pieza de trabajo mediante rotación. El taladrado y el fresado utilizan herramientas de torneado de múltiples filos de corte. Aunque las formas de estas herramientas son diferentes a las de un dispositivo de un solo filo, muchos elementos de la geometría de la herramienta son similares.

• Las operaciones de torneado implican la rotación del exterior de la pieza de trabajo contra una herramienta de corte que no gira y que se mueve hacia el interior de la pieza de trabajo. La rotación de la pieza de trabajo es el método de producir un movimiento relativo contra la herramienta. Los tornos son la principal máquina herramienta que se utiliza en el torneado.
• El mandrilado implica el mecanizado de una superficie interna de un agujero para aumentar su diámetro, esto se puede realizar girando la pieza de trabajo en un torno (también llamado torneado interno) o en una fresadora donde se gira una herramienta alrededor de la circunferencia del agujero.
• Las operaciones de taladrado son aquellas en las que se producen o perfeccionan agujeros poniendo en contacto axialmente con la pieza de trabajo una herramienta de corte giratoria (que suele emplearse como broca) con filos cortantes en la cara inferior y en el borde. Las operaciones de taladrado se pueden realizar en un torno, una fresadora o un taladro de columna, o incluso a mano.
• El roscado o roscado implica el corte de una hélice definida ( rosca ) en un orificio (roscado o roscado), o en un eje (roscado), con un paso constante y una geometría específica diseñada para aceptar la rosca opuesta y el objeto en un movimiento giratorio para sujetar elementos entre sí (por ejemplo, una tuerca y un perno).

• El aserrado tiene como objetivo crear longitudes de corte más pequeñas de material en barra, utilizando una sierra o una máquina de corte que pasa una hoja dentada giratoria (sierra circular) o lineal (sierra de cinta) contra el material para cortar una ranura (grosor) del material hasta que se corta en dos. Dependiendo del material, puede requerirse una determinada velocidad de la hoja (en metros por minuto o pies por minuto) medida como la velocidad lineal de los dientes, que puede ser tan baja como 200 o 1000 pies por minuto.
• Las operaciones de fresado son operaciones en las que la herramienta de corte con filos de corte a lo largo de su cara cilíndrica se coloca contra una pieza de trabajo para eliminar material en el perfil del eje de la herramienta giratoria y el borde inferior. ^[5] Las fresadoras son la principal máquina herramienta utilizada en el fresado. Las máquinas CNC avanzadas pueden combinar operaciones de torno y fresado.

• El brochado puede referirse a dos operaciones: el brochado lineal, en el que se presiona una herramienta de múltiples dientes a través de un orificio para cortar una forma deseada (por ejemplo, una forma estriada, cuadrada o hexagonal) o a lo largo de una superficie haciendo cortes cada vez más grandes con los dientes de la brocha de tamaño creciente; o el brochado rotatorio, en el que se hace girar una herramienta con desbaste en un portaherramientas especial que la hace oscilar alrededor de un eje de desplazamiento, y la herramienta y la pieza de trabajo se acoplan durante el mecanizado para cortar la forma deseada. Cuando se realiza en un torno, la pieza de trabajo y la herramienta de corte giran juntas, mientras que el portaherramientas permanece estático en el contrapunto; cuando se fresa, la herramienta de corte se detiene una vez que entra en contacto con la pieza de trabajo, y solo se balancea alrededor del eje de desplazamiento, con el portaherramientas girando en la fresadora.
• Las operaciones de moldeado son aquellas que eliminan material de una pieza de trabajo mediante el movimiento lineal de una herramienta de corte no giratoria, que se empuja a lo largo de la superficie de una pieza de trabajo y está diseñada para cortar una geometría plana. Un moldeador a menudo utiliza herramientas de acero de alta velocidad similares en forma y geometría a las herramientas de torno. El moldeado es similar al torneado, en un eje lineal en lugar de uno circular. Las operaciones de moldeado se realizan utilizando una máquina moldeadora, que se mueve hacia adelante y hacia atrás, pero corta solo en una dirección. Se utiliza una caja de chapaleta para levantar la herramienta de la pieza de trabajo para que pueda moverse hacia atrás.
• Las operaciones de pulido implican pasar un material abrasivo de rápido movimiento/rotación, como piedra, óxido de aluminio o diamante, contra una pieza de trabajo para eliminar material mediante el pulido de dicho material utilizando la superficie abrasiva de la herramienta.

• Mecanizado con haz de plasma
• El mecanizado por chorro de agua implica el corte de una pieza de trabajo mediante el uso de un chorro de agua (que normalmente también se incluye con un material abrasivo como el granate) para cortar todo el espesor de la pieza de trabajo. Un cortador por chorro de agua puede ser de 2 ejes para producir formas bidimensionales, o de 5 ejes, para producir casi cualquier forma tridimensional.
• Las operaciones de mecanizado por descarga eléctrica (EDM) implican la eliminación de material de una pieza de trabajo mediante una varilla de metal cargada eléctricamente, o un alambre (EDM por hilo), que vaporiza el material de la pieza de trabajo. Esto se puede utilizar para mecanizar agujeros o cortar una forma específica de otra pieza. Una ventaja de la EDM es que puede tener una ranura muy pequeña y el alambre se puede pasar a través de un agujero, lo que permite cortar formas intrincadas de una pieza sin cortar el borde de la pieza de trabajo, lo que permite la máquina de un enchufe y una toma de corriente que encajan perfectamente.

Una pieza de trabajo inacabada que requiere mecanizado debe tener algo de material cortado para crear un producto terminado. Un producto terminado sería una pieza de trabajo que cumple con las especificaciones establecidas para esa pieza de trabajo mediante dibujos de ingeniería o planos . Por ejemplo, una pieza de trabajo puede requerir un diámetro exterior específico. Un torno es una máquina herramienta que puede crear ese diámetro girando una pieza de trabajo de metal para que una herramienta de corte pueda cortar el metal, creando una superficie lisa y redonda que coincida con el diámetro y el acabado de la superficie requeridos. Un taladro puede quitar el metal en forma de un agujero cilíndrico. Otras herramientas que se pueden utilizar para la eliminación de metal son las fresadoras, las sierras y las rectificadoras . Muchas de estas mismas técnicas se utilizan en la carpintería .

El mecanizado requiere atención a muchos detalles para que una pieza de trabajo cumpla con las especificaciones de los planos o dibujos de ingeniería. Además de los problemas obvios relacionados con las dimensiones correctas, existe el problema de lograr el acabado correcto o la suavidad de la superficie en la pieza de trabajo. El acabado inferior que se encuentra en la superficie mecanizada de una pieza de trabajo puede deberse a una sujeción incorrecta , una herramienta desafilada o una presentación inadecuada de un dispositivo. Con frecuencia, este acabado superficial deficiente, conocido como vibración, se evidencia por un acabado ondulado o regular de ondas en las superficies mecanizadas de la pieza de trabajo.

Para realizar una operación de mecanizado, se requiere un movimiento relativo entre la herramienta y la pieza. La acción principal es a una velocidad de corte específica . Además, el dispositivo debe moverse lateralmente a través de la pieza. Este es un movimiento mucho más lento llamado avance. La dimensión restante del corte es la penetración de la herramienta de corte por debajo de la superficie de trabajo original, alcanzando la profundidad del corte. La velocidad, el avance y la profundidad de corte se denominan condiciones de corte. ^[6] Forman las tres dimensiones del proceso de mecanizado y, para ciertas operaciones, su producto se puede utilizar para obtener la tasa de eliminación de material para el proceso:

${\displaystyle {R}_{MR}=vfd\,\!}$

dónde

• $estilo de visualización {R}_{MR}\,\!}$– la velocidad de eliminación de material en mm ³ /s , ( en ³ /s ),
• ${\estilo de visualización v\,\!}$– la velocidad de corte en mm/s , ( in/min ),
• ${\estilo de visualización f\,\!}$– el avance en mm , ( in ),
• ${\estilo de visualización d\,\!}$– la profundidad de corte en mm , ( in ).

Nota: Todas las unidades deben convertirse a las unidades decimales (o USCU ) correspondientes.

Las operaciones de mecanizado generalmente se dividen en dos categorías, que se distinguen por el propósito y las condiciones de corte:

• Cortes de desbaste
• Cortes de acabado

Los cortes de desbaste se utilizan para eliminar una gran cantidad de material de la pieza de trabajo inicial lo más rápido posible, es decir, con una tasa de eliminación de material (MRR) significativa, para producir una forma cercana a la forma deseada pero dejando algo de material en la pieza para una operación de acabado posterior. Los cortes de acabado completan la pieza y logran la dimensión final, las tolerancias y el acabado de la superficie. En los trabajos de mecanizado de producción, generalmente se realizan uno o más cortes de desbaste en la pieza de trabajo, seguidos de uno o dos cortes de acabado. Las operaciones de desbaste se realizan a avances y profundidades altos: avances de 0,4 a 1,25 mm/rev (0,015 a 0,050 in/rev) y profundidades de 2,5 a 20 mm (0,100 a 0,750 in) son típicos, pero los valores reales dependen de los materiales de la pieza de trabajo. Las operaciones de acabado se llevan a cabo con avances y profundidades bajos: los cortes típicos son de 0,0125–0,04 mm/rev (0,0005–0,0015 in/rev) y profundidades de 0,75–2,0 mm (0,030–0,075 in). ^{[ cita requerida ]} Las velocidades de corte son más bajas en el desbaste que en el acabado.

A menudo se aplica un fluido de corte a la operación de mecanizado para enfriar y lubricar la herramienta de corte. Determinar si se debe utilizar un fluido de corte y, en caso afirmativo, elegir el fluido de corte adecuado suele estar incluido en el alcance de las condiciones de corte.

En la actualidad, se están volviendo cada vez más populares otras formas de corte de metales. Un ejemplo de esto es el corte por chorro de agua. El corte por chorro de agua implica agua presurizada a más de 620 MPa (90 000 psi) y puede cortar metal y obtener un producto terminado. Este proceso se llama corte en frío, que elimina el daño causado por una zona afectada por el calor, a diferencia del corte por láser y plasma .

Con la reciente proliferación de tecnologías de fabricación aditiva , el mecanizado convencional ha sido clasificado de manera retronimizada , en el pensamiento y el lenguaje, como un método de fabricación sustractiva . En contextos estrechos, los métodos aditivos y sustractivos pueden competir entre sí. En el contexto amplio de industrias enteras, su relación es complementaria. Cada método tiene sus ventajas sobre el otro. Si bien los métodos de fabricación aditiva pueden producir diseños de prototipos muy intrincados imposibles de replicar mediante mecanizado, la resistencia y la selección de materiales pueden ser limitadas. ^[7]

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• Albert, Mark (17 de enero de 2011), "Sustrectivo más aditivo es igual a más que (- + + = >)", Mark: My Word, Modern Machine Shop , 83 (9), Cincinnati, Ohio, EE. UU.: Gardner Publications Inc: 14.

• Groover, Mikell P. (2007), "Teoría del mecanizado de metales", Fundamentos de la fabricación moderna (3.ª ed.), John Wiley & Sons, Inc., págs. 491–504, ISBN 978-0-471-74485-6
• Oberg, Erik; Jones, Franklin D.; McCauley, Christopher J.; Heald, Ricardo M. (2004), Manual de maquinaria (27.ª edición), Industrial Press , ISBN 978-0-8311-2700-8.
• "Machine Tool Practices", 6.ª edición, por RR; Kibbe, JE; Neely, RO; Meyer & WT; White, ISBN 0-13-270232-0 , 2.ª impresión, copyright 1999, 1995, 1991, 1987, 1982 y 1979 por Prentice Hall. 

• www.nmri.go.jp/eng, Conocimientos básicos de metalistería
• Vídeos sobre mecanizado publicados por el Institut für den Wissenschaftlichen Film. Disponible en el AV-Portal Biblioteca Nacional Alemana de Ciencia y Tecnología .