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Escuela de IngenierEscuela de Ingenieríía Industriales a Industriales -- UVaUVaÁÁrea de Ingenierrea de Ingenierííaade los Procesos de Fabricacide los Procesos de Fabricacióónn

Sistemas de Producción y FabricaciónValladolid, Septiembre de 2011

Proceso de mecanizado de un pistón.

1. Introducción.

En este ejercicio se analizará el proceso de mecanizado de un pistón, a partir de una preforma de aluminio, que tiene la forma final salvo sobreespesores. En cada sección se irán mostrando las características de la pieza, las máquinas, las herramientas, los utillajes de sujeción, los programas CN, etc., necesarios para la fabricación de la misma. Asimismo, se plantearán algunas cuestiones para su razonamiento y solución.

Para la correcta realización del ejercicio, se deberá estudiar detenidamente el plano de la pieza, para así comprender mejor las diferentes posibilidades que existen para su mecanizado. Posteriormente, se deberá realizar un análisis de las superficies y volúmenes a mecanizar, y la elección de las sujecciones, herramientas y maquinaria necesarias. Finalmente, se deberá obtener el programa de CN, antes de ver la simulación.

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Proceso de mecanizado de un pistón.

Se considera que la fabricación se realiza en un taller de mecanización y montaje de una PYME con una gran variedad de producción, trabajando con lotes medianos de forma que no se justifica la inversión en máquinas especiales. Aunque lo ideal sería el planteamiento de fabricación flexible mediante una célula de mecanizado, para el desarrollo del ejercicio se ha considerado disponer únicamente de Máquinas Herramienta y Centros de Mecanizado CNC, por lo que la carga de piezas y fijación de utillajes serámanual.

Proceso de mecanizado de un pistón.

2. Estudio del plano del PISTON

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Proceso de mecanizado de un pistón.

2. Estudio del plano del PISTON

Para obtener esta pieza, deberemos mecanizar cinco superficies en total. La superficie número 1 sufrirá varias operaciones, correspondientes a la realización de los segmentos y de los agujeros de ajuste con el bulón, por lo que podemos realizar dentro de ella dos subdivisiones, que corresponden a las superficies 3 y 4. A su vez, dentro de la superficie 4, deberemos mecanizar la superficie 5.

Es importante recalcar, que el interior del pistón no será necesario mecanizarlo, ya que la preforma proveniente de fundición, ya tiene la forma adecuada y no requiriere mejor acabado superficial.

Proceso de mecanizado de un pistón.

2. Estudio del plano del PISTON

perpendicularidad de su eje con el de la piezaACABADO23Cilíndrica5

perpendicularidad de su eje con el de la piezaRECTIFICADO21Cilíndrica4

concentricidad con el eje de la piezaACABADO2X1Cilíndrica3

ACABADO421.25Esférica2

concentricidad con el eje de la piezaRECTIFICADO82Cilíndrica1

REFERENCIAACABADOCOTATIPOSuperficie Nº

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Proceso de mecanizado de un pistón.

2. Estudio del plano del PISTON

perpendicularidad de su eje con el de la piezaACABADO23Cilíndrica5

perpendicularidad de su eje con el de la piezaRECTIFICADO21Cilíndrica4

concentricidad con el eje de la piezaACABADO2X1Cilíndrica3

ACABADO421.25Esférica2

concentricidad con el eje de la piezaRECTIFICADO82Cilíndrica1

REFERENCIAACABADOCOTATIPOSuperficie Nº

Proceso de mecanizado de un pistón.

2. Estudio del plano del PISTON

perpendicularidad de su eje con el de la piezaACABADO23Cilíndrica5

perpendicularidad de su eje con el de la piezaRECTIFICADO21Cilíndrica4

concentricidad con el eje de la piezaACABADO2X1Cilíndrica3

ACABADO421.25Esférica2

concentricidad con el eje de la piezaRECTIFICADO82Cilíndrica1

REFERENCIAACABADOCOTATIPOSuperficie Nº

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Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Para conformar el pistón hemos de mecanizar cinco superficies, que han sido definidas en el apartado anterior; a continuación vamos a desarrollar la operaciones que se deben realizar sobre cada superficie. Las superficies 1, 2 y 3 se realizarán en un torno de control numérico. En las superficies 4 y 5 se planteará una discusión sobre cual sería el mejor método de mecanización.Hacemos notar de nuevo que la preforma viene de fundición con 2 mm. de sobreespesor.

Superficie 1Mediante torno CN se realizarán las siguientes operaciones: 1. Desbaste sobre un espesor de 1.5 mm., por lo tanto se dejan 0.5 mm. de 2. Acabado en el espesor de 0.5 mm.

Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Superficie 2De la misma forma que en la superficie 1 por medio de un torno CN se realizarán las

siguientes operaciones:1. Desbaste sobre un espesor de 1.5 mm. 2. Acabado en el espesor de 0.5 mm.

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Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Superficie 3Esta superficie comprende las 3 ranuras por lo tanto habrá que realizar un ranurado

sobre cada una de estas. Esta operación se llevará se llevará a cabo en un torno CN.

Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Superficie 4 y 5La superficie 4 hace referencia al cajeteado cilíndrico interior y la superficie 5 hace

referencia al agujero en el que debe ubicarse el bulón. A continuación se plantea la discusión sobre las posibles soluciones a la hora de mecanizar estas

dos superficies:

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Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Mecanizado de las superficies 4 y 5 en un torno CN con herramienta motorizada.

En principio esta solución sería la más indicada puesto que se podría realizar el mecanizado de todas las superficies en la misma máquina, torno de CN, con el consiguiente ahorro de tiempo y mayor garantía de cotas especialmente si el lote de piezas a fabricar fuera alto.

En la práctica, para esta pieza no es posible encontrar herramientas motorizadas que abarquen la distancia que mide el largo del agujero del bulón, con lo que la posibilidad de realizar las superficies 4 y 5 en un torno de CN con herramientas motorizadas queda descartada. Por lo tanto, para mecanizar la superficies 4 y 5 se ha utilizado una fresadora de CN.

No obstante, si el número de piezas a fabricar fuera elevado se podría pensar en adquirir una máquina especial que fuera capaz de cubrir los requerimientos de esta pieza y otras de la misma familia.

Proceso de mecanizado de un pistón.

3. Análisis de operaciones elementales

Mecanizado de las superficies 4 y 5 en una fresadora CN. Las máquinas estándar más apropiadas para la realización de las superficies 4 y 5

son fresadoras CN o centros de mecanizado. Esta solución conlleva el inconveniente de tener que cambiar de máquina para mecanizar todas las superficies del pistón, con la consiguiente pérdida de tiempo, que se puede hacer más importante si se trata de fabricar un gran número de piezas. Esta opción también incrementa el inventario en curso y hace necesario un mayor control de la producción.

Para lotes grandes se podría pensar en una célula flexible adecuada para esta familia de piezas, que integrase un torno y un centro de mecanizado, con un robot para la alimentación de ambos. Sin embargo, dada la condición inicial del ejercicio, el mecanizado con una fresadora CN es la solución adoptada.

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Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Tal y como se ha aclarado en el apartado anterior, operaciones elementales, es necesario utilizar dos tipos de máquina herramientas, estas son:

• Torno universal (CNC)• Fresadora universal (CNC)

En el torno universal realizaremos las operaciones de mecanizado de la parte exterior del pistón, mientras que en la fresadora mecanizaremos las superficies correspondientes a la ubicación del bulón.

Operaciones que se deben llevar a cabo en el torno: • Desbaste y acabado de la superficie 1 • Desbaste y acabado de la superficie 2 • Ranurado de las tres ranuras pertenecientes a la superficie 3 Operaciones que se deben llevar a cabo en la fresadora: • Ranurado cilíndrico para obtener la superficie 4

• Desbaste y acabado de la superficie 5

Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Torno UniversalSe ha elegido este torno paralelo de control numérico porque es capaz de tornear el

diámetro requerido por la pieza. Debe de ser de control numérico para que las instrucciones las realice de forma automática siguiendo una secuencia de órdenes que se pueden introducir desde el propio monitor del torno o desde un ordenador remoto conectado mediante red.

Características del Torno• Paso de barra de 32 a 110 mm. • Diámetro torneable de 250 a 700 mm. • Distancia entre puntos hasta 2000 mm. • Potencia: 7-35 kW

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Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Torno Universal con CN

Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Fresadora UniversalLos principales atractivos de una fresadora de este tipo son:Es una máquina capaz de realizar trabajos fuertes que requieren gran vigor y

energía. Este alto poder de mecanizado es debido a que las herramientas son multifilo, por lo que la capacidad de arranque de viruta se multiplica.

Su campo de operación es amplio y muy variado gracias a los numerosos grados de libertad y tipos de herramientas. Además existen gran diversidad de accesorios que permiten otros movimientos.

Las fresadoras universales tienen la posibilidad de orientar tanto la mesa como el cabezal. Este hecho, junto con todo lo mencionado anteriormente, permite

mecanizar casi cualquier tipo de superficie.

Características de esta máquina:• Recorrido de la mesa (mm): 750*500*470 • Superficie de la mesa (mm): 1050*350 • Potencia: 4.5 kW

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Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Fresadora Universal

Características de esta máquina:• Recorrido de la mesa (mm): 750*500*470 • Superficie de la mesa (mm): 1050*350 • Potencia: 4.5 kW

Proceso de mecanizado de un pistón.

4. Máquinas-herramientas

Fresadora Universal con CNC

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Proceso de mecanizado de un pistón.

5. Utillaje

TornoEn el caso del pistón, se nos presentan varias posibilidades de amarre al torno. Por

lo tanto, en este punto se deberá realizar una nueva selección entre varias opciones. Para efectuarla, se deberá tener en cuenta la facilidad para la sujeción de la pieza, facilitar las posteriores operaciones intentando minimizar los cambios de posicionado del pistón en su mecanizado y evitar la generación de defectos superficiales importantes.

Antes de pasar a la siguiente fase, se deberá elegir la opción correcta de entre estas tres:

Proceso de mecanizado de un pistón.

5. Utillaje

FresadoraEn este caso utilizaremos una mordaza con plato divisor, para así, poder asegurar

que al girar la pieza para mecanizar las superficies 4 y 5, lo hagamos con gran precisión, en cuanto al número de grados de giro.

Nuevamente, podremos plantear una discusión acerca de como amarrar la pieza con el utillaje ya comentado:

Amarrando la pieza por la superficie interior, que se encuentra sin mecanizar Esta selección, presenta el problema de no poder asegurar, en el caso de la fresadora,

un buen control dimensional sobre la pieza. Al apoyar la mordaza sobre una superficie bruta, sin mecanizar, no podremos determinar con precisión el origen de la pieza, y no podremos posicionar exactamente el eje de simetría que corresponde a la superficie 4.

En el caso del torno, esto no era tan importante, ya que simplemente con alargar unos milímetros el mecanizado de la superficie 1 nos asegurábamos que finalizábamos correctamente la operación.

Dando la vuelta a la pieza y amarrando por el exterior, haciendo tope en la superficie 2

Esta es la elección correcta, ya que al estar la superficie 2 mecanizada, las posibles creces residuales de la fundición no afectan a la exactitud en la obtención del origen de la pieza.

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Proceso de mecanizado de un pistón.

6. Herramientas

Selección de herramientas para el cilindrado exteriorEn este punto se tomarán los elementos necesarios, basándose en un catálogo de herramientas de tornear.

4.763.97 11 DCGX 11 T3 04-AL PLAQUITA

r s l DESIGNACIÓN OBJETO

0.8 26 26 125 20 20 20 SDJCR/L 2020K11 MANGO EXTERIOR

r f1 l3 l1 b h1 h DESIGNACIÓN OBJETO

-6611120 04417 23R429 90 17 040 09 ACBARRA PARA

lambda

l1

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Peso (Kg)

l3

Dc mín-máxDESIGNACIÓN OBJETO

Proceso de mecanizado de un pistón.

7. Hoja de procesos... documentación.