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PRINCIPIOS DE POSICIONAMIENTO Y SUJECIN
Posicionar y sujetar son las funciones fundamentales de
cualquier portapieza. Por esa razn, es necesario tener un
entendimiento cabal de los principios fundamentales de
posicionamiento y sujecin, as como de los numerosos componentes
estndar disponibles para dichas operaciones.
PRINCIPIOS BSICOS DE POSICIONAMIENTO Para que funcionen de forma
adecuada, los portapiezas deben posicionar la pieza de
trabajo de forma precisa y consistente en relacin con la
herramienta de corte, pieza tras pieza. Para lograrlo, los
posicionadores deben asegurar que la pieza de trabajo est
debidamente referenciada y que el proceso sea repetible.
Referenciamiento y repetibilidad
Referenciar es un proceso doble de posicionamiento de la pieza
de trabajo en relacin con el portapieza, y del portapieza en
relacin con la herramienta de corte. El referenciamiento del
portapieza a la herramienta de corte se realiza mediante
dispositivos de gua o de ajuste. Con las guas de taladro, el
referenciamiento se logra utilizando bujes de taladro. Con
portapiezas, el referenciamiento se logra utilizando cuas planas,
calibradores de verificacin y/o sondas. El referenciamiento de la
pieza de trabajo al portapieza, en cambio, se realiza utilizando
posicionadores.
Si una pieza no se coloca correctamente en el portapieza, no se
lograr su posicionamiento adecuado y la pieza se trabajar de forma
incorrecta. De la misma manera, si una herramienta de corte est mal
posicionada en relacin con el portapieza, el detalle torneado
tambin estar incorrectamente ubicado. Por esa razn, el diseo del
portapieza debe contemplar el referenciamiento de la pieza de
trabajo y de la herramienta de corte, los cuales deben mantenerse
simultneamente.
Repetibilidad es la capacidad del portapieza de producir de
forma consistente piezas que se encuentren dentro de los lmites de
tolerancia y est directamente relacionada con la capacidad de
referenciamiento de la herramienta. La posicin de la pieza de
trabajo en relacin con la herramienta y la posicin de la
herramienta con respecto al cortador deben ser coherentes. Para que
la gua o el portapieza puedan mantener la repetibilidad deseada, el
portapieza debe estar diseado para adaptarse a las superficies de
posicionamiento de la pieza de trabajo.
El punto de posicionamiento ideal en una pieza de trabajo es una
superficie torneada. Las superficies torneadas permiten el
posicionamiento desde un punto de referencia consistente. Las
superficies fundidas, forjadas, trasquiladas o serruchadas pueden
variar considerablemente de una pieza a otra y afectarn la precisin
del posicionamiento.
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La mecnica del posicionamiento
Una pieza de trabajo libre en el espacio puede moverse en un
nmero infinito de direcciones. Para nuestro anlisis, este
movimiento puede dividirse en doce movimientos direccionales, o
grados de libertad. Los doce grados de libertad deben estar
restringidos para asegurar el referenciamiento adecuado de una
pieza de trabajo.
Como muestra la figura 3-1, los doce grados de libertad se
relacionan con los ejes centrales de la pieza de trabajo. Observe
los seis grados axiales de libertad y los seis grados radiales de
libertad. Los grados de libertad axiales permiten el movimiento en
lnea recta en ambas direcciones a lo largo de los tres ejes
principales, identificados como x, y, z. Los grados radiales de
libertad permiten el movimiento giratorio, en sentido radial
horario y antihorario, en torno a los mismos tres ejes.
Figura 3-1. Los doce grados de libertad.
Los dispositivos que restringen el movimiento de una pieza de
trabajo son los posicionadores. stos, por lo tanto, deben ser lo
suficientemente resistentes para mantener la posicin de la pieza de
trabajo y resistir las fuerzas de corte. Esta necesidad tambin
apunta a un factor crucial en el diseo de los sujetadores: son los
posicionadores, no los sujetadores, los que deben sostener la pieza
de trabajo contra las fuerzas de corte.
Los posicionadores proporcionan un tope positivo para la pieza
de trabajo. Al estar colocada contra el tope, la pieza de trabajo
no puede moverse. Los sujetadores, en cambio, dependen de la
friccin entre el sujetador y la superficie sujetada para mantener
la pieza de trabajo en su lugar. Una fuerza suficiente podra mover
la pieza de trabajo. Los sujetadores slo estn diseados para
sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores.
Formas de posicionamiento
Hay tres formas generales de posicionamiento: plano, concntrico
y radial. Los posicionadores planos posicionan una pieza de trabajo
desde cualquier superficie. La superficie puede ser plana, curva o
tener un contorno irregular. En la mayora de las
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aplicaciones, los dispositivos de posicionamiento plano
posicionan una pieza por sus superficies externas, figura 3-2a. Los
posicionadores concntricos, en su mayora, posicionan una pieza de
trabajo desde un eje central. Este eje puede o no estar en el
centro de la pieza de trabajo. El tipo de posicionamiento
concntrico ms comn es un pasador posicionador ubicado en un
orificio. Algunas piezas de trabajo, no obstante, podran tener una
proyeccin cilndrica que requiere un orificio de posicionamiento en
el portapieza, como muestra la figura 3-2b. El tercer tipo de
posicionamiento es radial. Los posicionadores radiales restringen
el movimiento de una pieza de trabajo en torno a un posicionador
concntrico, figura 3-2c. En muchos casos, el posicionamiento se
realiza mediante una combinacin de los tres mtodos indicados.
Figura 3-2. Las tres formas de posicionamiento: plana,
concntrica y radial.
Posicionamiento desde superficies externas
Las superficies planas son caractersticas comunes de las piezas
de trabajo utilizadas para su posicionamiento. El posicionamiento
desde una superficie plana es una forma de posicionamiento plano.
Los soportes son los principales dispositivos utilizados para este
tipo de posicionamiento. Las tres formas principales de soportes
son slidos, ajustables y ecualizadores. Figura 3-3.
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Figura 3-3. Los soportes slidos, ajustables y ecualizadores
posicionan una pieza de trabajo desde una superficie plana.
Los soportes slidos son posicionadores de altura fija.
Posicionan de forma precisa una superficie en un solo eje. Aunque
los soportes slidos pueden tornearse directamente en el cuerpo de
una herramienta, un mtodo ms econmico es utilizar soportes
instalados, como botones de apoyo.
Los soportes ajustables son posicionadores de altura variable.
Al igual que los soportes slidos, tambin posicionan de forma
precisa una superficie en un solo eje. Estos soportes se utilizan
en los casos en que las variaciones en la pieza de trabajo
requieren un soporte ajustable para adecuarse a diferentes alturas.
Estos soportes se utilizan principalmente para piezas de trabajo
fundidas o forjadas que tienen superficies de montaje desiguales o
irregulares.
Los soportes ecualizadores son una forma de soporte ajustable
que se utilizan cuando se requiere un soporte compensador. Aunque
estos soportes pueden fijarse en su lugar, en la mayora de los
casos los soportes ecualizadores flotan para adaptarse a
variaciones en la pieza de trabajo. Cuando se presiona uno de los
lados del soporte ecualizador, el otro se levanta la misma cantidad
para mantener el contacto con la pieza. En la mayora de los casos
los soportes ecualizadores ajustables se utilizan junto con
soportes slidos.
El posicionamiento de una pieza de trabajo desde sus bordes
externos es el mtodo de posicionamiento ms comn. La superficie
inferior, o principal, de posicionamiento se coloca sobre tres
soportes, segn el principio geomtrico que postula que se requieren
tres puntos para definir totalmente un plano. Dos bordes
adyacentes, por lo general perpendiculares entre s, se utilizan
luego para completar el posicionamiento.
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La forma ms comn de posicionar una pieza de trabajo desde su
perfil externo es el mtodo posicional 3-2-1, o de seis puntos. Con
este mtodo, seis posicionadores individuales referencian y
restringen la pieza de trabajo.
Como puede verse en la figura 3-4, se colocan tres
posicionadores, o soportes, debajo de la pieza de trabajo. Por lo
general, los tres posicionadores se ubican sobre la superficie de
posicionamiento principal. Esto restringe el movimiento axial hacia
abajo, a lo largo del eje z (#6), y radialmente, alrededor de los
ejes x (#7 y #8) e y (#9 y #10). Juntos, los tres posicionadores
restringen cinco grados de libertad.
Figura 3-4. Tres soportes en la superficie de posicionamiento
principal restringen cinco grados de libertad.
Los dos posicionadores siguientes se colocan normalmente sobre
la superficie de posicionamiento secundaria, como muestra la figura
3-5. Estos posicionadores restringen otros tres grados de libertad
deteniendo el movimiento axial a lo largo del eje +y (#3) y el
movimiento radial en torno al eje z (#11 y #12).
Figura 3-5. Agregando dos posicionadores sobre un lado se
restringen ocho grados de libertad.
El posicionador final, ilustrado en la figura 3-6, se coloca en
el extremo de la pieza. ste restringe el movimiento axial en una
sola direccin a lo largo del eje -x. Juntos, estos seis
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posicionadores restringen en total nueve grados de libertad. Los
tres grados de libertad restantes (#1, #4 y #5) estarn restringidos
por los sujetadores.
Figura 3-6. Agregando un posicionador final al otro lado se
restringen nueve grados de libertad, completando el posicionamiento
3-2-1.
Aunque los botones de apoyo cilndricos son la forma ms comn de
posicionar una pieza de trabajo desde su perfil externo, tambin se
utilizan otros dispositivos para este propsito. Estos dispositivos
incluyen posicionadores de lado plano, posicionadores en V,
posicionadores de nido y posicionadores ajustables.
Posicionamiento desde superficies internas
El posicionamiento de una pieza de trabajo desde un dimetro
interno es la forma de posicionamiento ms eficiente. Las
caractersticas principales utilizadas para esta forma de
posicionamiento son orificios individuales o patrones de orificios.
Dependiendo de la colocacin de los posicionadores, se lograr un
posicionamiento concntrico, radial o concntrico y radial al
posicionar un dimetro interno. Tambin puede obtenerse un
posicionamiento plano con la placa utilizada para montar los
posicionadores.
Las dos formas de posicionadores utilizados para el
posicionamiento interno son pasadores posicionadores y tapones
posicionadores. La nica diferencia entre estos posicionadores es su
tamao: los pasadores posicionadores se utilizan para orificios ms
pequeos y los tapones posicionadores se usan para orificios ms
grandes.
Como muestra la figura 3-7, la placa debajo de la pieza de
trabajo restringe un grado de libertad. Impide cualquier movimiento
axial hacia abajo, a lo largo del eje -z (#6). El pasador central,
que acta junto con la placa como posicionador concntrico, impide
cualquier movimiento axial o radial a lo largo o alrededor del eje
x (#1, #2, #7 y #8) y del eje y (#3, #4, #9 y #10). Juntos, estos
dos posicionadores restringen nueve grados de libertad. El
posicionador final, el pasador del orificio externo, es el
posicionador radial que restringe dos grados de libertad deteniendo
el movimiento radial en torno al eje z (#11 y #12). Juntos, los
posicionadores restringen once grados de libertad. El ltimo grado
de libertad, en la direccin +z, se restringe con un sujetador.
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Figura 3-7. Dos pasadores posicionadores montados sobre una
placa restringen once de doce grados de libertad.
Anlisis de las fuerzas de torneado
Los factores ms importantes para tener en cuenta en la
disposicin del portapieza son la direccin y la magnitud de las
fuerzas de torneado ejercidas durante la operacin. En la figura
3-8, las fuerzas de fresado generadas sobre una pieza de trabajo
cuando se sujeta de forma adecuada en una prensa de tornillo suelen
empujar la pieza hacia abajo y hacia la mordaza fija. La accin de
sujecin de la mordaza mvil mantiene la pieza de trabajo contra la
mordaza fija y mantiene la posicin de la pieza durante el
corte.
Figura 3-8. Las fuerzas de corte en una operacin de fresado
deben dirigirse a la mordaza fija y a la base de la prensa de
tornillo.
Otro ejemplo de fuerzas de corte sobre una pieza de trabajo
puede observarse en la operacin de taladrado en la figura 3-9. Las
fuerzas de torneado principales tienden a empujar la pieza de
trabajo hacia abajo sobre los soportes del portapieza. Una fuerza
de torneado adicional que acta de forma radial alrededor del eje
del taladro tambin fuerza a la pieza de trabajo en los
posicionadores. El propsito de los sujetadores que mantienen esta
pieza de trabajo slo es sostener la pieza contra los posicionadores
y mantener su posicin durante el ciclo de torneado. La nica fuerza
real ejercida sobre los sujetadores ocurre cuando el taladro sale
por el lado opuesto de la pieza, la accin de subida de la pieza
sobre el taladro. Las
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fuerzas de torneado que actan sobre un portapieza correctamente
diseado en realidad contribuyen a sostener la pieza de trabajo.
Figura 3-9. Las fuerzas de corte principales en una operacin de
taladrado se dirigen hacia abajo y radialmente alrededor del eje
del taladro.
Un paso importante en la mayora de los diseos de portapiezas es
examinar las operaciones de torneado planificadas para estimar las
fuerzas de corte sobre la pieza de trabajo, tanto en cuanto a
magnitud como a direccin. La estimacin puede ser aproximada y
basarse en la experiencia, o bien en un clculo basado en datos de
torneado. Una frmula simple para calcular la magnitud de la fuerza,
ilustrada en la figura 3-10, se basa en la relacin fsica:
Atencin: "potencia de corte ms pesada" no es la potencial total
de la mquina, sino la potencia mxima realmente usada durante el
ciclo de torneado. La eficiencia tpica de la mquina es de
aproximadamente 75% (0.75). El nmero 33,000 es un factor de
conversin de unidades.
Figura 3-10. Una frmula sencilla para calcular la magnitud de
las fuerzas de corte en la pieza de trabajo.
La frmula anterior slo calcula la magnitud de la fuerza, no la
direccin. La fuerza de corte puede tener componentes en el eje x-,
y- o en el eje z-. La direccin de la fuerza (y la magnitud) puede
variar drsticamente desde el comienzo hasta la mitad o hasta al
final del
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corte. La figura 3-11 muestra un clculo tpico. Intuitivamente,
la direccin de la fuerza es prcticamente totalmente horizontal en
este ejemplo (el componente del eje z es despreciable). La direccin
vara entre el eje x y el eje y a medida que avanza el corte.
Figura 3-11. Ejemplo de clculo de la fuerza de corte.
GUA DE POSICIONAMIENTO No hay una sola forma de posicionamiento
ni un solo tipo de posicionador adecuado para
todos los portapiezas. Para realizar de forma adecuada el
posicionamiento requerido, cada posicionador debe tenerse en cuenta
cuidadosamente en el diseo. A continuacin se incluyen algunas
recomendaciones para tener en cuenta a la hora de elegir y aplicar
los posicionadores.
Colocacin de los posicionadores
La funcin principal de cualquier posicionador es referenciar la
pieza de trabajo y asegurar la repetibilidad. No obstante, a menos
que los posicionadores estn debidamente colocados, no podrn
lograrse eficazmente estas funciones. Al colocar los
posicionadores, tanto en relacin con el portapieza como con la
pieza de trabajo, hay algunos puntos bsicos para tener en
cuenta.
Siempre que sea factible, coloque los posicionadores de forma
tal que entren en contacto con la pieza de trabajo sobre una
superficie torneada. La superficie torneada no slo proporciona
repetibilidad sino que por lo general tambin ofrece una forma de
posicionamiento ms estable. La pieza de trabajo en s determina las
reas de la superficie torneada que se utilizan para el
posicionamiento. En algunos casos, toda la superficie puede
tornearse. En otros, especialmente en el caso de piezas fundidas,
slo se tornean reas seleccionadas.
Las superficies mejores torneadas para utilizar para el
posicionamiento, cuando sea posible, son los orificios torneados.
Como ya se seal anteriormente, los orificios torneados ofrecen el
posicionamiento ms completo con un nmero mnimo de posicionadores.
La siguiente configuracin que proporciona una repetibilidad
adecuada es dos superficies torneadas que formen un ngulo recto.
Estas caractersticas son muy adecuadas para el mtodo de
posicionamiento de seis puntos. No obstante, independientemente del
tipo o condicin de las superficies utilizadas para el
posicionamiento, el requisito principal en la seleccin de una
superficie de posicionamiento es la repetibilidad.
Para garantizar la repetibilidad, la siguiente consideracin a
tener en cuenta es la separacin entre los posicionadores. Como
regla, separe los posicionadores lo ms lejos
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posible entre s. Puede ver una ilustracin en la figura 3-12.
Ambas piezas de trabajo ilustradas aqu estn posicionadas con el
mtodo de posicionamiento de seis puntos. La nica diferencia radica
en la separacin de los posicionadores. En la pieza ilustrada en
(b), ambos posicionadores del lado de atrs estn cerca uno del otro.
En la pieza ilustrada en (a), estos mismos posicionadores estn ms
separados. La pieza ilustrada en (a) est correctamente posicionada;
la pieza ilustrada en (b) no lo est. Separar los posicionadores lo
ms posible compensa las irregularidades en los posicionadores o en
la pieza de trabajo. Adems, permite obtener la mxima
estabilidad.
Figura 3-12. Los posicionadores deben separarse lo ms posible
para compensar ligeras irregularidades y para obtener la mxima
estabilidad.
Los ejemplos de la figura 3-13 muestran condiciones que podran
darse cuando los posicionadores se colocan demasiado cerca entre s,
si las posiciones centrales de los posicionadores estn mal
alineadas en 0.001 pulg. Con la separacin ilustrada en (a), esta
condicin tiene poco efecto en el posicionamiento. Pero si el
posicionamiento y la separacin se cambiaran a los ilustrados en
(b), la diferencia de 0.001 pulg. tendra un efecto sustancial. En
(c) se ilustra otro problema con los posicionadores colocados
demasiado cerca entre s. En este caso, debido a que los
posicionadores estn demasiado cerca ente s, la pieza puede moverse
alrededor de los posicionadores en el portapieza.
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Figura 3-13. Colocar los posicionadores demasiado cerca entre s
afectar la precisin del posicionamiento.
Control de las astillas
La consideracin final para la colocacin de los posicionadores se
relaciona con el problema del control de las astillas. Las astillas
son una parte inevitable de cualquier operacin de torneado y deben
controlarse para que no interfieran con el posicionamiento de la
pieza de trabajo en el portapieza. Hay varios mtodos que ayudan a
reducir el problema de las astillas. En primer lugar coloque los
posicionadores lejos de las reas con una alta concentracin de
astillas. Si esto no es factible, afloje los posicionadores para
reducir el efecto de las astillas en el posicionamiento. En
cualquiera de los casos, para reducir al mnimo los efectos
negativos de las astillas, utilice posicionadores que sean fciles
de limpiar o autolimpiables o que estn protegidos de las astillas.
La figura 3-14 muestra varias maneras en que se pueden aflojar los
posicionadores para reducir los problemas de la astillas.
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Figura 3-14. Los posicionadores deben aflojarse para reducir los
problemas de posicionamiento causados por las astillas.
La acumulacin de refrigerante tambin puede causar problemas.
Resuelva este problema perforando orificios, o ranuras de fresado,
en reas del portapieza en las que el refrigerante tiende a
acumularse. En algunos portapiezas, las reas de drenaje de
refrigerante tambin pueden actuar como punto de eliminacin de las
astillas acumuladas.
Cuando disee un portapieza, procure siempre reducir al mnimo el
problema de las astillas eliminando las reas de la herramienta en
las que pueden acumularse. Omita del diseo reas como esquinas
interiores, pasadores no rebajados o caractersticas similares. El
control de astillas debe tenerse en cuenta en el diseo de cualquier
gua o portapieza.
Cmo evitar el posicionamiento redundante
Otra condicin para evitar en el diseo del portapieza es el
posicionamiento redundante o duplicado. Los posicionadores
redundantes restringen el mismo grado de libertad ms de una vez.
Las piezas de trabajo de la figura 3-15 muestran varios ejemplos.
La pieza en (a) muestra cmo una superficie plana puede posicionarse
de forma redundante. La pieza debe posicionarse sobre slo una, no
ambas, superficies laterales. Dado que los tamaos de las piezas
pueden variar, dentro de sus tolerancias, la probabilidad de que
todas las piezas reposen simultneamente sobre ambas superficies es
remota. El ejemplo de (b) muestra el mismo problema con dimetros
concntricos. Cualquiera de los dos dimetros puede posicionar la
pieza, pero no ambos.
El ejemplo de (c) muestra la dificultad de combinar el
posicionamiento por los orificios y por la superficie. Cualquiera
de los dos mtodos de posicionamiento, es decir posicionar la pieza
por los orificios o por los bordes, es eficaz si se utiliza solo.
Pero cuando los mtodos se emplean juntos, producen una condicin de
duplicacin. Esta condicin puede dar como resultado piezas que no se
pueden cargar o descargar segn lo deseado.
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Figura 3-15. Ejemplos de posicionamiento redundante.
Evite siempre el posicionamiento redundante. La manera ms
sencilla de eliminarlo es verificando el grabado del taller para
determinar que caracterstica de la pieza de trabajo es la
caracterstica de referencia. Con frecuencia, la forma en que est
dimensionada una pieza indica qu superficies o caractersticas son
importantes. Como ilustra la figura 3-16, debido a que la pieza de
la izquierda est dimensionada en ambas direcciones desde la parte
inferior de la brida, utilice esta superficie para posicionar la
pieza. La pieza ilustrada a la derecha, en cambio, est dimensionada
a partir de la parte inferior del dimetro pequeo. sta es la
superficie que debera usar para posicionar la pieza.
Figura 3-16. Por lo general, las mejores superficies de
posicionamiento se determinan por la forma en que est dimensionada
la pieza.
Cmo evitar cargar una pieza de forma incorrecta
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Indicar claramente el posicionamiento de una pieza de trabajo
evita cargarla de forma incorrecta. El problema es ms comn con las
piezas que son simtricas o que estn posicionadas de forma
concntrica. La forma ms sencilla de indicar el posicionamiento
correcto es colocando uno o dos pasadores en un lugar que garantice
la correcta orientacin de la pieza, figura 3-17. No obstante, con
algunas piezas de trabajo deben utilizarse otros mtodos ms
creativos para garantizar que se cargue correctamente.
Figura 3-17. Indicando claramente el posicionamiento se evita
cargar la pieza de trabajo de forma incorrecta.
La figura 3-18 muestra algunas formas de indicar claramente el
posicionamiento de una pieza. En el primer ejemplo, ilustrado en
(a), un pasador que de otro modo no cumplira ninguna funcin
garantiza la orientacin correcta de la pieza. Este pasador
interferira con una de las lengetas si la pieza se cargara de
cualquier otra forma. En el siguiente ejemplo, ilustrado en (b),
una cavidad en la pieza de trabajo impide que sta se cargue en
posicin invertida. En este caso, se agrega al portapieza un bloque
ligeramente ms pequeo que la abertura de la cavidad de la pieza. Si
la pieza est correctamente cargada, encajar en el bloque. De lo
contrario, el bloque impedir que la pieza entre en el
portapieza.
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Figura 3-18. Con frecuencia se utilizan simples pasadores o
bloques para asegurar el correcto posicionamiento de una pieza.
Uso de posicionadores con resorte
Un mtodo para asegurar el posicionamiento correcto consiste en
instalar botones o pasadores con resorte en el portapieza, figura
3-19. Estos dispositivos se posicionan de forma tal que la accin
del resorte empuje la pieza de trabajo contra los posicionadores
fijos hasta que se la sujete. Estos accesorios con resorte no slo
aseguran el posicionamiento repetible sino que adems facilitan la
sujecin de la pieza de trabajo.
Figura 3-19. Los posicionadores con resorte ayudan a asegurar el
posicionamiento correcto de la pieza de trabajo empujndola contra
los posicionadores fijos.
Determinacin del tamao del posicionador y de las tolerancias
La pieza de trabajo en s determina el tamao general de un
elemento posicionador. La regla principal para determinar el tamao
del posicionador de la pieza de trabajo es que los posicionadores
deben ser compatibles con la MMC (condicin de material mximo) del
rea de posicionamiento. La MMC de una caracterstica es el tamao de
la caracterstica donde se encuentra la mxima cantidad de material.
En el caso de caractersticas externas, como ejes, la MMC es el
tamao ms grande dentro de los lmites. En el caso de caractersticas
internas, como los orificios, es el tamao ms pequeo dentro de los
lmites. La figura 3-20 ilustra los tamaos MMC para las
caractersticas externas e internas.
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Figura 3-20. Los tamaos de los posicionadores siempre se basan
en la condicin de material mximo de las caractersticas de la pieza
de trabajo.
Determinar el tamao de posicionadores cilndricos es
relativamente sencillo. Las principales consideraciones a tener en
cuenta son el tamao del rea de posicionamiento y el espacio libre
requerido entre el posicionador y la pieza de trabajo. Como ilustra
la figura 3-21, la nica consideracin es que el pasador posicionador
debe ser ligeramente ms pequeo que el orificio. En este ejemplo, el
orificio tiene un dimetro de 0.500-0.510 pulg. segn las
especificaciones. Siguiendo la regla de MMC, el posicionador debe
encajar en el orificio a su MMC de 0.500 pulg. Dejando un espacio
libre de 0.0005 entre el pasador y el orificio, el dimetro deseado
del pasador sera de 0.4995 pulg. Hay disponibles pasadores
posicionadores estndar aptos para varias tolerancias de orificios,
o rectificados a dimensiones especficas. Un pasador redondo estndar
de 1/2 pulg. con un dimetro de cabeza de 0.4995 pulg.-0.4992 pulg.
sera una buena eleccin.
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Figura 3-21. Determinacin del tamao de un solo pasador
posicionador basndose en las condiciones de material mximo.
La precisin general del portapieza debe ser mayor que la
precisin de la pieza de trabajo. Se aplican dos tipos bsicos de
tolerancia a un posicionador: el primero son las tolerancias que
controlan el tamao del posicionador; el segundo son las tolerancias
que controlan su posicin. Pueden emplearse diferentes mtodos para
determinar los valores de tolerancia apropiados asignados a un
portapieza. En algunos casos, la designacin de tolerancia es un
valor arbitrario predeterminado por el departamento de ingeniera
que se asigna a un portapieza sin tener en cuenta la pieza de
trabajo especfica. A otras tolerancias se asigna un valor especfico
basado en el tamao del elemento que se va a posicionar. Aunque son
ms apropiados que las tolerancias de valor nico, no tienen en
cuenta los requisitos de la pieza de trabajo. Otro mtodo comnmente
utilizado consiste en usar un porcentaje establecido de la
tolerancia de la pieza de trabajo.
Cuanto ms cercano sea el valor de tolerancia, mayor ser el costo
total para producir la pieza de trabajo. Por lo general, cuando se
ajusta una tolerancia, el costo de sta aumenta de forma exponencial
en relacin con su beneficio. Producir una tolerancia dos veces ms
ajustada podra costar en realidad cinco veces ms.
La manufacturabilidad de una tolerancia, es decir la capacidad
de los mtodos de fabricacin disponibles de lograr una determinada
tolerancia, tambin es un factor crtico. Un simple orificio, por
ejemplo, con una tolerancia de 0.050 pulg., puede realizarse con un
punzn. No obstante, si la tolerancia es de .010, pulg., el orificio
requiere taladrado. De la misma manera, si la tolerancia se ajusta
a 0.002 pulg., el orificio requerir taladrado y fresado.
Finalmente, con una tolerancia de 0.003 pulg., el orificio debe ser
taladrado, fresado pulido para garantizar el tamao requerido.
Otro factor que se debe considerar en relacin con la
manufacturabilidad de una determinada tolerancia es si la
tolerancia especificada puede fabricarse dentro de la
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capacidad del taller. Una tolerancia de 0.00001 pulg. es muy
fcil de indicar en un plano, pero es imposible de lograr en la
amplia mayora de los talleres.
No hay una tolerancia que sea apropiada para todas las
caractersticas de una pieza. Aunque una determinada caracterstica
puede requerir una tolerancia de posicionamiento dentro de las
0.0005 pulg., es dudoso que cada tolerancia del portapieza deba
tener el mismo valor de tolerancia. La longitud de una placa de
base, por ejemplo, por lo general puede realizarse a una tolerancia
sustancialmente diferente de la requerida para el posicionamiento
de las caractersticas especficas.
La aplicacin de tolerancias de tipo porcentual, a diferencia de
las tolerancias arbitrarias, puede reflejar de forma precisa la
relacin entre las tolerancias de la pieza de trabajo y las
tolerancias del portapieza. La especificacin de las tolerancias del
portapieza como un porcentaje de las tolerancias de la pieza de
trabajo permite obtener una relacin coherente y constante entre el
portapieza y la pieza de trabajo. Cuando se aplica un valor
porcentual de 25 por ciento a la tolerancia de una pieza de trabajo
igual a 0.050 pulg., la tolerancia del portapieza es de 0.0125
pulg. El mismo porcentaje aplicado a una tolerancia de 0.001 pulg.
es de 0.00025 pulg. En este caso se mantiene una relacin
proporcional de las tolerancias, independientemente de los tamaos
relativos de las tolerancias de la pieza de trabajo. Como regla, el
rango de tolerancias porcentuales debera ser del 20 al 50 por
ciento de la tolerancia de la pieza de trabajo, normalmente
determinada segn las normas del departamento de ingeniera.
GUA DE SUJECIN Posicionar la pieza de trabajo es la primera
funcin bsica de una gua o portapieza. Una
vez posicionada, la pieza de trabajo debe ser sujetada para
evitar que se mueva durante el ciclo operativo. El proceso de
sujetar la pieza de trabajo en su posicin se denomina sujecin. Los
dispositivos principales utilizados para sujetar una pieza de
trabajo son los sujetadores. Para que funcionen correctamente, debe
seleccionarse cuidadosamente tanto los dispositivos de sujecin como
su ubicacin en el portapieza.
Factores que influyen en la seleccin de los sujetadores Los
sujetadores cumplen dos funciones principales. En primer lugar,
deben sostener la
pieza de trabajo contra sus posicionadores. En segundo lugar,
los sujetadores deben impedir que la pieza de trabajo se mueva. Los
posicionadores, no los sujetadores, deben resistir las fuerzas de
corte primarias generadas durante la operacin.
Sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Los
sujetadores no estn diseados para resistir las fuerzas de corte
primarias. El nico propsito de los sujetadores es mantener la pieza
de trabajo en su posicin contra los posicionadores y resistir las
fuerzas de corte secundarias. Las fuerzas de corte secundarias son
las fuerzas generadas cuando el cortador sale de la pieza de
trabajo. En el taladrado, por ejemplo, las fuerzas de corte
primarias suelen estar dirigidas hacia abajo y radialmente
alrededor del eje del taladro. Las fuerzas secundarias son las
fuerzas que tienden a levantar la pieza cuando el taladro sale por
el lado opuesto de sta. Por esa razn, los sujetadores seleccionados
para una determinada
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aplicacin slo deben ser lo suficientemente fuertes para sostener
la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las
fuerzas de corte secundarias.
La relacin entre los posicionadores y los sujetadores puede
ilustrarse con una prensa de tornillo de fresa. En la figura 3-22,
la prensa de tornillo contiene elementos posicionadores y
sujetadores. La mordaza fija y el cuerpo de la prensa son los
posicionadores. La mordaza mvil es el sujetador. La prensa de
tornillo se posiciona normalmente de forma tal que los
posicionadores resistan las fuerzas de corte. Al direccionar las
fuerzas de corte a la mordaza fija y el cuerpo de la prensa se
asegura la precisin de la operacin de torneado y se impide que la
pieza de trabajo se mueva. En todos los portapiezas, es importante
direccionar las fuerzas de corte a los posicionadores. La mordaza
mvil de la prensa de tornillo, al igual que otros sujetadores,
simplemente mantiene la pieza de trabajo en su posicin contra los
posicionadores.
Figura 3-22. Una prensa de tornillo contiene elementos
posicionadores y sujetadores.
Sostener firmemente en condiciones de vibracin, carga y tensin.
Los siguientes factores que se deben tener en cuenta a la hora de
seleccionar un sujetador son el nivel de vibracin y tensin esperado
en la operacin. Los sujetadores de leva, por ejemplo, aunque son
adecuados para algunas operaciones, no son la mejor opcin cuando la
vibracin es excesiva ya que sta puede aflojarlos. Tambin es
aconsejable agregar un margen de seguridad a las fuerzas estimadas
que actan sobre un sujetador.
Proteger la pieza de trabajo contra daos. El sujetador elegido
tambin debe tener caractersticas que no daen la pieza de trabajo.
El dao puede producirse de diferentes maneras. Las principales
preocupaciones son la distorsin y las marcas en la pieza. Si la
fuerza de sujecin es excesiva, la pieza de trabajo se puede
deformar o doblar. El dao en la superficie suele ser causado por
sujetadores con superficies de contacto endurecidas o no
giratorias. Utilice sujetadores que tengan almohadillas de contacto
giratorias o un material de contacto ms suave para atenuar este
problema. El mejor sujetador para una determinada aplicacin es aqul
que pueda sujetar de forma adecuada la pieza de trabajo sin daar su
superficie.
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Mejorar la velocidad de carga y descarga. La velocidad de los
sujetadores tambin es importante para la eficiencia del portapieza.
Si la accin de sujecin del sujetador es lenta, como en el caso de
los sujetadores de tornillo, a veces se elimina el potencial de
beneficios del portapieza. La velocidad de sujecin y liberacin
suele ser el factor ms importante para mantener el tiempo de carga
y de descarga al mnimo.
Colocacin de los sujetadores La posicin de los sujetadores en el
portapieza es tan importante para la operacin
general de la herramienta como la ubicacin de los
posicionadores. Los sujetadores seleccionados deben sostener la
pieza contra los posicionadores sin deformarla. Como ya sealamos,
dado que el propsito de los posicionadores es resistir todas las
fuerzas de corte primarias generadas durante la operacin, los
sujetadores slo deben ser lo suficientemente grandes para mantener
la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las
fuerzas secundarias generadas durante la operacin. Para cumplir
estas dos condiciones, coloque los sujetadores en los puntos ms
rgidos de la pieza de trabajo. En la mayora de los portapiezas,
esto significa colocar los sujetadores directamente sobre los
elementos de soporte en la placa de base del portapieza,
figura-3-23a.
En algunos casos, la pieza de trabajo debe sujetares contra
posicionadores horizontales en lugar de sobre los soportes, figura
3-23b. En cualquiera de los dos casos, la fuerza de sujecin debe
ser absorbida por los elementos posicionadores.
Figura 3-23. Los sujetadores siempre deben colocarse de forma
tal que la fuerza de sujecin se dirija a los soportes o a los
posicionadores.
En el caso de portapiezas con dos soportes debajo del rea de
sujecin de la pieza de trabajo, deben utilizarse dos sujetadores:
uno sobre cada soporte, figura 3-24a. Si se coloca un solo
sujetador entre los soportes, la pieza de trabajo puede doblarse o
deformarse fcilmente durante la operacin de sujecin. Si la pieza de
trabajo tiene bridas u otras extensiones utilizadas para la
sujecin, debe colocarse un soporte auxiliar debajo del rea
extendida antes de aplicar un sujetador, figura 3-24b.
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Figura 3-24. El nmero y la ubicacin de los sujetadores se
determinan en funcin de la pieza de trabajo y sus soportes.
Otra consideracin para tener en cuenta al ubicar los sujetadores
es la operacin de la mquina herramienta durante todo el ciclo de
torneado. Los sujetadores deben colocarse de forma tal que no
interfieran con la operacin de la mquina herramienta, durante el
corte o ciclo de retorno. Dicha colocacin es particularmente
importante en el caso de mquinas numricamente controladas. Adems de
los cortadores, verifique la interferencia entre los sujetadores y
otros elementos de la mquina, como prgola, mandriles, manguitos,
carros de torno y columnas.
Cuando utilice una mquina automatizada, verifique todo el
recorrido de la herramienta antes de utilizar el portapieza.
Verifique el ciclo de torneado y el ciclo de retorno de la mquina
para asegurarse de que no haya interferencias entre los cortadores
y los sujetadores. Ocasionalmente, los programadores olvidan tener
en cuenta el recorrido de la herramienta en el ciclo de retorno.
Una forma de reducir la probabilidad de colisin y eliminar la
necesidad de programar el recorrido de retorno consiste simplemente
en levantar el cortador por encima del rea ms alta de la pieza de
trabajo o del portapieza al final del ciclo de torneado antes de
que retorne a la posicin inicial.
La mayora de los sujetadores se colocan sobre o cerca de la
superficie superior de la pieza de trabajo. La altura total del
sujetador, con respecto a la pieza de trabajo, debe mantenerse al
mnimo. Para ello pueden utilizarse sujetadores del tipo cuello de
ganso, figura 3-25. Como muestra la figura, los sujetadores tipo
cuello de ganso tienen un perfil ms bajo y deben utilizarse en los
casos en que se requiere una menor altura del sujetador.
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Figura 3-25. El uso de sujetadores tipo cuello de ganso es una
forma de reducir la altura de los sujetadores.
El tamao del rea de contacto del sujetador es otro factor que
debe tenerse en cuenta al colocar un sujetador. Para reducir la
interferencia entre el sujetador y el cortador, mantenga el rea de
contacto lo ms reducida que sea posible teniendo en cuenta la
seguridad. Un rea de sujecin pequea reduce las probabilidades de
interferencia y, adems, aumenta la presin de sujecin de la pieza de
trabajo. El tamao total del sujetador es otro factor para tener en
cuenta. El sujetador debe ser lo suficientemente grande para
sostener de forma adecuada y segura la pieza de trabajo, pero lo
suficientemente pequeo para no estorbar.
Como ya sealamos antes, el principal propsito de un sujetador es
mantener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Para
hacerlo correctamente, la fuerza de sujecin debe direccionarse a
los posicionadores, o a la parte ms slida del portapieza. Si los
dispositivos de sujecin se colocan de cualquier otra manera, la
pieza de trabajo puede distorsionarse o deformarse fcilmente.
La pieza de trabajo de la figura 3-26 ilustra este punto. La
pieza es un anillo de pared delgada que debe fijarse de forma tal
de que pueda perforarse el dimetro interno. La forma ms conveniente
de sujetar la pieza de trabajo es por su dimetro externo; no
obstante, para generar suficiente presin de sujecin para sostener
la pieza, es probable que el sujetador deforme el anillo. Esto se
debe a la direccin y magnitud de la fuerza de sujecin: en lugar de
actuar contra un posicionador, las fuerzas de sujecin actan contra
la fuerza elstica del anillo resistiendo la accin de sujecin. Este
tipo de sujecin slo debe utilizarse si la pieza es un disco slido o
tiene un orificio de dimetro pequeo y una pared de espesor
grueso.
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Figura 3-26. Si las fuerzas de sujecin se direccionan contra un
rea sin soporte, esta pieza cilndrica se deformar.
Para sujetar este tipo de pieza, deben utilizarse otras tcnicas.
El mtodo de sujecin ilustrado en la figura 3-27 muestra la pieza de
trabajo sostenida con cuatro sujetadores tipo brida. La fuerza de
sujecin se dirige a la placa de base y no contra la fuerza elstica
de la pieza de trabajo. Si la pieza de trabajo se sujeta de esta
forma, se elimina la distorsin del anillo causada por el primer
mtodo.
Figura 3-27. Los sujetadores tipo brida eliminan la deformacin
direccionando las fuerzas de sujecin a los soportes debajo de la
pieza.
En la figura 3-28 se ilustra un mtodo de sujecin similar. En
este caso, la pieza de trabajo tiene una serie de orificios
alrededor del anillo que pueden utilizarse para sujetarla. Si se
sujeta la pieza de trabajo de esta forma, tambin se direccionar la
fuerza de sujecin contra la placa de base del portapieza. Este
mtodo requiere soportes con orificios que permiten a los tornillos
de sujecin sujetar la pieza a travs de los soportes.
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Figura 3-28. Cuando sea posible, pueden utilizarse ciertas
caractersticas de la pieza, como los orificios, para sujetarla.
Si la pieza slo puede sujetarse por su superficie externa, puede
emplearse otro mtodo para sujetarla: una boquilla que encierre
completamente la pieza. Como muestra la figura 3-29, la forma del
contacto de sujecin ayuda a controlar la distorsin. Dependiendo del
tamao de la pieza, puede usarse una boquilla o mordazas blandas con
forma de pastel en este mtodo.
Figura 3-29. Cuando la pieza slo se puede sujetar por la
superficie externa, pueden emplearse mordazas de mandril con forma
de pastel para sostener la pieza y reducir la deformacin.
Seleccin del tamao y fuerza del sujetador Los clculos para
determinar la fuerza de sujecin necesaria pueden ser bastante
complicados. En muchos casos, no obstante, alcanza con una
determinacin aproximada de estos valores. La tabla de la figura
3-30 muestra las fuerzas de sujecin disponibles para una
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variedad de bridas de sujecin manuales de diferentes tamaos con
un ratio de fuerza de sujecin de 2 a 1.
Figura 3-30. Fuerzas de sujecin aproximadas de bridas de sujecin
manuales de diferentes tamaos con una relacin de fuerza de sujecin
de 2 a 1.
Como alternativa, la fuerza de sujecin requerida puede
calcularse tomando como base las fuerzas de corte calculadas. En la
figura 3-31 se muestra un ejemplo simplificado. La fuerza de corte
es totalmente horizontal, y no se utilizan posicionadores en la
pieza de trabajo, por lo que las fuerzas friccionales solas
resisten las fuerzas de corte.
Figura 3-31. Clculo simplificado de la fuerza de sujecin con la
fuerza de corte totalmente horizontal y sin topes en la pieza de
trabajo (la fuerza friccional resiste todas las fuerzas de
corte).
Si se tienen en cuenta los posicionadores de la pieza de trabajo
y las fuerzas multidireccionales, los clculos se vuelven ms
complejos. A fin de simplificar los clculos, puede estimarse la
peor situacin de fuerza posible de forma intuitiva y luego tratarse
como un problema de mecnica esttica bidimensional (usando un
diagrama de cuerpo libre). En el
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ejemplo incluido en la figura 3-32, se sabe que la fuerza de
corte es de 1800 lbs, sobre la base de un clculo anterior. La pieza
de trabajo pesa 1500 lbs. Las fuerzas desconocidas son:
FR = Fuerza total de todos los sujetadores del lado derecho FL =
Fuerza total de todos los sujetadores del lado izquierdo R1 =
Fuerza de reaccin horizontal del tope fijo R2 = Fuerza de reaccin
vertical del tope fijo R3 = Fuerza de reaccin vertical del lado
derecho N = Fuerza de direccin normal = FL + FR + 1500 =
Coeficiente de friccin = 0.19
Figura 3-32. Clculo de la fuerza de sujecin ms complejo,
utilizando un diagrama de cuerpo libre bidimensional.
Las siguientes ecuaciones resuelven las fuerzas desconocidas
suponiendo que para una condicin esttica:
1. La suma de las fuerzas en la direccin x debe ser igual a
cero. 2. La suma de las fuerzas en la direccin y debe ser igual a
cero. 3. La suma de los momentos en torno a cualquier punto debe
ser igual a cero.
A primera vista, este ejemplo parece "estticamente
indeterminado", es decir hay cinco variables y slo tres ecuaciones.
Pero para la fuerza de sujecin mnima requerida, R3 es igual a cero
(apenas toca la pieza de trabajo) y FL es igual a cero (no hay
tendencia a levantarse del lado izquierdo). Ahora, con slo tres
variables, el problema puede resolverse:
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Resolviendo las variables,
FR = 1290 lbs R1 = 1270 lbs R2 = 2790 lbs
En otras palabras, la fuerza combinada de todos los sujetadores
del lado derecho debe ser mayor que 1290 lbs. Con un factor de
seguridad recomendado de 2 a 1, este valor se convierte en 2580
lbs. Aunque FL (fuerza combinada de todos los sujetadores del lado
izquierdo) es igual a cero, puede ser aconsejable una pequea fuerza
de sujecin para evitar la vibracin.
Otra rea general de preocupacin es mantener constante la fuerza
de sujecin. Los dispositivos de sujecin manuales pueden variar en
la fuerza que aplican a las piezas durante una sesin de produccin.
La variacin obedece a muchos factores, entre ellos la posicin del
sujetador en la pieza de trabajo, aunque el cansancio del operario
es la falla ms comn. La manera ms sencilla y a menudo ms adecuada
de controlar la fuerza de sujecin es reemplazar los sujetadores
manuales por sujetadores hidrulicos.
La fuerza generada por los sujetadores hidrulicos no slo es
constante sino que adems puede ajustarse para que sea compatible
con las condiciones de la pieza de trabajo. Otra ventaja de los
sujetadores hidrulicos es su velocidad de funcionamiento: no slo
son ms rpidos que los sujetadores manuales sino que todos los
sujetadores hidrulicos se activan al mismo tiempo.