USA Catalog
International Catalogue - English
Catálogo Internacional - Español
International Katalog - Deutsch
Catalogue International - Français
Catalogo Internazionale - Italiano

PRINCIPIOS DE POSICIONAMIENTO Y SUJECIÓN



Posicionar y sujetar son las funciones fundamentales de cualquier portapieza. Por esa razón, es necesario tener un entendimiento cabal de los principios fundamentales de posicionamiento y sujeción, así como de los numerosos componentes estándar disponibles para dichas operaciones.

PRINCIPIOS BÁSICOS DE POSICIONAMIENTO

Para que funcionen de forma adecuada, los portapiezas deben posicionar la pieza de trabajo de forma precisa y consistente en relación con la herramienta de corte, pieza tras pieza. Para lograrlo, los posicionadores deben asegurar que la pieza de trabajo esté debidamente referenciada y que el proceso sea repetible.

Referenciamiento y repetibilidad

“Referenciar” es un proceso doble de posicionamiento de la pieza de trabajo en relación con el portapieza, y del portapieza en relación con la herramienta de corte. El referenciamiento del portapieza a la herramienta de corte se realiza mediante dispositivos de guía o de ajuste. Con las guías de taladro, el referenciamiento se logra utilizando bujes de taladro. Con portapiezas, el referenciamiento se logra utilizando cuñas planas, calibradores de verificación 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 logrará su posicionamiento adecuado y la pieza se trabajará de forma incorrecta. De la misma manera, si una herramienta de corte está mal posicionada en relación con el portapieza, el detalle torneado también estará incorrectamente ubicado. Por esa razón, el diseño del portapieza debe contemplar el referenciamiento de la pieza de trabajo y de la herramienta de corte, los cuales deben mantenerse simultáneamente.

“Repetibilidad” es la capacidad del portapieza de producir de forma consistente piezas que se encuentren dentro de los límites de tolerancia y está directamente relacionada con la capacidad de referenciamiento de la herramienta. La posición de la pieza de trabajo en relación con la herramienta y la posición de la herramienta con respecto al cortador deben ser coherentes. Para que la guía o el portapieza puedan mantener la repetibilidad deseada, el portapieza debe estar diseñado 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 afectarán la precisión del posicionamiento.

La mecánica del posicionamiento

Una pieza de trabajo libre en el espacio puede moverse en un número infinito de direcciones. Para nuestro análisis, 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 línea 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. Éstos, por lo tanto, deben ser lo suficientemente resistentes para mantener la posición de la pieza de trabajo y resistir las fuerzas de corte. Esta necesidad también apunta a un factor crucial en el diseño 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 fricción entre el sujetador y la superficie sujetada para mantener la pieza de trabajo en su lugar. Una fuerza suficiente podría mover la pieza de trabajo. Los sujetadores sólo están diseñados para sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores.

Formas de posicionamiento

Hay tres formas generales de posicionamiento: plano, concéntrico 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 mayoría de las aplicaciones, los dispositivos de posicionamiento plano posicionan una pieza por sus superficies externas, figura 3-2a. Los posicionadores concéntricos, en su mayoría, 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 concéntrico más común es un pasador posicionador ubicado en un orificio. Algunas piezas de trabajo, no obstante, podrían tener una proyección cilíndrica 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 concéntrico, figura 3-2c. En muchos casos, el posicionamiento se realiza mediante una combinación de los tres métodos indicados.

Figura 3-2. Las tres formas de posicionamiento: plana, concéntrica y radial.

Posicionamiento desde superficies externas

Las superficies planas son características 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 sólidos, ajustables y ecualizadores. Figura 3-3.

Figura 3-3. Los soportes sólidos, ajustables y ecualizadores posicionan una pieza de trabajo desde una superficie plana.

Los soportes sólidos son posicionadores de altura fija. Posicionan de forma precisa una superficie en un solo eje. Aunque los soportes sólidos pueden tornearse directamente en el cuerpo de una herramienta, un método más económico es utilizar soportes instalados, como botones de apoyo.

Los soportes ajustables son posicionadores de altura variable. Al igual que los soportes sólidos, también 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 mayoría 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 mayoría de los casos los soportes ecualizadores ajustables se utilizan junto con soportes sólidos.

El posicionamiento de una pieza de trabajo desde sus bordes externos es el método de posicionamiento más común. La superficie inferior, o principal, de posicionamiento se coloca sobre tres soportes, según el principio geométrico que postula que se requieren tres puntos para definir totalmente un plano. Dos bordes adyacentes, por lo general perpendiculares entre sí, se utilizan luego para completar el posicionamiento.

La forma más común de posicionar una pieza de trabajo desde su perfil externo es el método posicional 3-2-1, o de seis puntos. Con este método, 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. Éste restringe el movimiento axial en una sola dirección a lo largo del eje -x. Juntos, estos seis posicionadores restringen en total nueve grados de libertad. Los tres grados de libertad restantes (#1, #4 y #5) estarán 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 cilíndricos son la forma más común de posicionar una pieza de trabajo desde su perfil externo, también se utilizan otros dispositivos para este propósito. 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 diámetro interno es la forma de posicionamiento más eficiente. Las características principales utilizadas para esta forma de posicionamiento son orificios individuales o patrones de orificios. Dependiendo de la colocación de los posicionadores, se logrará un posicionamiento concéntrico, radial o concéntrico y radial al posicionar un diámetro interno. También 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 única diferencia entre estos posicionadores es su tamaño: los pasadores posicionadores se utilizan para orificios más pequeños y los tapones posicionadores se usan para orificios más 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 actúa junto con la placa como posicionador concéntrico, 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 último grado de libertad, en la dirección +z, se restringe con un sujetador.

Figura 3-7. Dos pasadores posicionadores montados sobre una placa restringen once de doce grados de libertad.

Análisis de las fuerzas de torneado

Los factores más importantes para tener en cuenta en la disposición del portapieza son la dirección y la magnitud de las fuerzas de torneado ejercidas durante la operación. 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 acción de sujeción de la mordaza móvil mantiene la pieza de trabajo contra la mordaza fija y mantiene la posición de la pieza durante el corte.

Figura 3-8. Las fuerzas de corte en una operación 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 operación 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 actúa de forma radial alrededor del eje del taladro también fuerza a la pieza de trabajo en los posicionadores. El propósito de los sujetadores que mantienen esta pieza de trabajo sólo es sostener la pieza contra los posicionadores y mantener su posición durante el ciclo de torneado. La única fuerza real ejercida sobre los sujetadores ocurre cuando el taladro sale por el lado opuesto de la pieza, la acción de subida de la pieza sobre el taladro. Las fuerzas de torneado que actúan sobre un portapieza correctamente diseñado en realidad contribuyen a sostener la pieza de trabajo.

Figura 3-9. Las fuerzas de corte principales en una operación de taladrado se dirigen hacia abajo y radialmente alrededor del eje del taladro.

Un paso importante en la mayoría de los diseños 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 dirección. La “estimación” puede ser aproximada y basarse en la experiencia, o bien en un cálculo basado en datos de torneado. Una fórmula simple para calcular la magnitud de la fuerza, ilustrada en la figura 3-10, se basa en la relación física:

Atención: "potencia de corte más pesada" no es la potencial total de la máquina, sino la potencia máxima realmente usada durante el ciclo de torneado. La eficiencia típica de la máquina es de aproximadamente 75% (0.75). El número 33,000 es un factor de conversión de unidades.

Figura 3-10. Una fórmula sencilla para calcular la magnitud de las fuerzas de corte en la pieza de trabajo.

La fórmula anterior sólo calcula la magnitud de la fuerza, no la dirección. La fuerza de corte puede tener componentes en el eje x-, y- o en el eje z-. La dirección de la fuerza (y la magnitud) puede variar drásticamente desde el comienzo hasta la mitad o hasta al final del corte. La figura 3-11 muestra un cálculo típico. Intuitivamente, la dirección de la fuerza es prácticamente totalmente horizontal en este ejemplo (el componente del eje z es despreciable). La dirección varía entre el eje x y el eje y a medida que avanza el corte.

Figura 3-11. Ejemplo de cálculo de la fuerza de corte.

GUÍA 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 diseño. A continuación se incluyen algunas recomendaciones para tener en cuenta a la hora de elegir y aplicar los posicionadores.

Colocación de los posicionadores

La función principal de cualquier posicionador es referenciar la pieza de trabajo y asegurar la repetibilidad. No obstante, a menos que los posicionadores estén debidamente colocados, no podrán lograrse eficazmente estas funciones. Al colocar los posicionadores, tanto en relación con el portapieza como con la pieza de trabajo, hay algunos puntos básicos 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 sólo proporciona repetibilidad sino que por lo general también ofrece una forma de posicionamiento más estable. La pieza de trabajo en sí determina las áreas 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, sólo se tornean áreas seleccionadas.

Las superficies mejores torneadas para utilizar para el posicionamiento, cuando sea posible, son los orificios torneados. Como ya se señaló anteriormente, los orificios torneados ofrecen el posicionamiento más completo con un número mínimo de posicionadores. La siguiente configuración que proporciona una repetibilidad adecuada es dos superficies torneadas que formen un ángulo recto. Estas características son muy adecuadas para el método de posicionamiento de seis puntos. No obstante, independientemente del tipo o condición de las superficies utilizadas para el posicionamiento, el requisito principal en la selección de una superficie de posicionamiento es la repetibilidad.

Para garantizar la repetibilidad, la siguiente consideración a tener en cuenta es la separación entre los posicionadores. Como regla, separe los posicionadores lo más lejos posible entre sí. Puede ver una ilustración en la figura 3-12. Ambas piezas de trabajo ilustradas aquí están posicionadas con el método de posicionamiento de seis puntos. La única diferencia radica en la separación de los posicionadores. En la pieza ilustrada en (b), ambos posicionadores del lado de atrás están cerca uno del otro. En la pieza ilustrada en (a), estos mismos posicionadores están más separados. La pieza ilustrada en (a) está correctamente posicionada; la pieza ilustrada en (b) no lo está. Separar los posicionadores lo más posible compensa las irregularidades en los posicionadores o en la pieza de trabajo. Además, permite obtener la máxima estabilidad.

Figura 3-12. Los posicionadores deben separarse lo más posible para compensar ligeras irregularidades y para obtener la máxima estabilidad.

Los ejemplos de la figura 3-13 muestran condiciones que podrían darse cuando los posicionadores se colocan demasiado cerca entre sí, si las posiciones centrales de los posicionadores están mal alineadas en 0.001 pulg. Con la separación ilustrada en (a), esta condición tiene poco efecto en el posicionamiento. Pero si el posicionamiento y la separación se cambiaran a los ilustrados en (b), la diferencia de 0.001 pulg. tendría un efecto sustancial. En (c) se ilustra otro problema con los posicionadores colocados demasiado cerca entre sí. En este caso, debido a que los posicionadores están demasiado cerca ente sí, la pieza puede moverse alrededor de los posicionadores en el portapieza.

Figura 3-13. Colocar los posicionadores demasiado cerca entre sí afectará la precisión del posicionamiento.

Control de las astillas

La consideración final para la colocación de los posicionadores se relaciona con el problema del control de las astillas. Las astillas son una parte inevitable de cualquier operación de torneado y deben controlarse para que no interfieran con el posicionamiento de la pieza de trabajo en el portapieza. Hay varios métodos que ayudan a reducir el problema de las astillas. En primer lugar coloque los posicionadores lejos de las áreas con una alta concentración 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 mínimo los efectos negativos de las astillas, utilice posicionadores que sean fáciles de limpiar o autolimpiables o que estén 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.

Figura 3-14. Los posicionadores deben aflojarse para reducir los problemas de posicionamiento causados por las astillas.

La acumulación de refrigerante también puede causar problemas. Resuelva este problema perforando orificios, o ranuras de fresado, en áreas del portapieza en las que el refrigerante tiende a acumularse. En algunos portapiezas, las áreas de drenaje de refrigerante también pueden actuar como punto de eliminación de las astillas acumuladas.

Cuando diseñe un portapieza, procure siempre reducir al mínimo el problema de las astillas eliminando las áreas de la herramienta en las que pueden acumularse. Omita del diseño áreas como esquinas interiores, pasadores no rebajados o características similares. El control de astillas debe tenerse en cuenta en el diseño de cualquier guía o portapieza.

Cómo evitar el posicionamiento redundante

Otra condición para evitar en el diseño del portapieza es el posicionamiento redundante o duplicado. Los posicionadores redundantes restringen el mismo grado de libertad más de una vez. Las piezas de trabajo de la figura 3-15 muestran varios ejemplos. La pieza en (a) muestra cómo una superficie plana puede posicionarse de forma redundante. La pieza debe posicionarse sobre sólo una, no ambas, superficies laterales. Dado que los tamaños de las piezas pueden variar, dentro de sus tolerancias, la probabilidad de que todas las piezas reposen simultáneamente sobre ambas superficies es remota. El ejemplo de (b) muestra el mismo problema con diámetros concéntricos. Cualquiera de los dos diámetros 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 métodos de posicionamiento, es decir posicionar la pieza por los orificios o por los bordes, es eficaz si se utiliza solo. Pero cuando los métodos se emplean juntos, producen una condición de duplicación. Esta condición puede dar como resultado piezas que no se pueden cargar o descargar según lo deseado.

Figura 3-15. Ejemplos de posicionamiento redundante.

Evite siempre el posicionamiento redundante. La manera más sencilla de eliminarlo es verificando el grabado del taller para determinar que característica de la pieza de trabajo es la característica de referencia. Con frecuencia, la forma en que está dimensionada una pieza indica qué superficies o características son importantes. Como ilustra la figura 3-16, debido a que la pieza de la izquierda está 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, está dimensionada a partir de la parte inferior del diámetro pequeño. Ésta es la superficie que debería usar para posicionar la pieza.

Figura 3-16. Por lo general, las mejores superficies de posicionamiento se determinan por la forma en que está dimensionada la pieza.

Cómo evitar cargar una pieza de forma incorrecta

Indicar claramente el posicionamiento de una pieza de trabajo evita cargarla de forma incorrecta. El problema es más común con las piezas que son simétricas o que están posicionadas de forma concéntrica. La forma más sencilla de indicar el posicionamiento correcto es colocando uno o dos pasadores en un lugar que garantice la correcta orientación de la pieza, figura 3-17. No obstante, con algunas piezas de trabajo deben utilizarse otros métodos más 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 cumpliría ninguna función garantiza la orientación correcta de la pieza. Este pasador interferiría con una de las lengüetas 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 ésta se cargue en posición invertida. En este caso, se agrega al portapieza un bloque ligeramente más pequeño que la abertura de la cavidad de la pieza. Si la pieza está correctamente cargada, encajará en el bloque. De lo contrario, el bloque impedirá que la pieza entre en el portapieza.

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 método 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 acción del resorte empuje la pieza de trabajo contra los posicionadores fijos hasta que se la sujete. Estos accesorios con resorte no sólo aseguran el posicionamiento repetible sino que además facilitan la sujeción de la pieza de trabajo.

Figura 3-19. Los posicionadores con resorte ayudan a asegurar el posicionamiento correcto de la pieza de trabajo empujándola contra los posicionadores fijos.

Determinación del tamaño del posicionador y de las tolerancias

La pieza de trabajo en sí determina el tamaño general de un elemento posicionador. La regla principal para determinar el tamaño del posicionador de la pieza de trabajo es que los posicionadores deben ser compatibles con la MMC (condición de material máximo) del área de posicionamiento. La MMC de una característica es el tamaño de la característica donde se encuentra la máxima cantidad de material. En el caso de características externas, como ejes, la MMC es el tamaño más grande dentro de los límites. En el caso de características internas, como los orificios, es el tamaño más pequeño dentro de los límites. La figura 3-20 ilustra los tamaños MMC para las características externas e internas.

Figura 3-20. Los tamaños de los posicionadores siempre se basan en la condición de material máximo de las características de la pieza de trabajo.

Determinar el tamaño de posicionadores cilíndricos es relativamente sencillo. Las principales consideraciones a tener en cuenta son el tamaño del área de posicionamiento y el espacio libre requerido entre el posicionador y la pieza de trabajo. Como ilustra la figura 3-21, la única consideración es que el pasador posicionador debe ser ligeramente más pequeño que el orificio. En este ejemplo, el orificio tiene un diámetro de 0.500-0.510 pulg. según 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 diámetro deseado del pasador sería de 0.4995 pulg. Hay disponibles pasadores posicionadores estándar aptos para varias tolerancias de orificios, o rectificados a dimensiones específicas. Un pasador redondo estándar de 1/2 pulg. con un diámetro de cabeza de 0.4995 pulg.-0.4992 pulg. sería una buena elección.

Figura 3-21. Determinación del tamaño de un solo pasador posicionador basándose en las condiciones de material máximo.

La precisión general del portapieza debe ser mayor que la precisión de la pieza de trabajo. Se aplican dos tipos básicos de tolerancia a un posicionador: el primero son las tolerancias que controlan el tamaño del posicionador; el segundo son las tolerancias que controlan su posición. Pueden emplearse diferentes métodos para determinar los valores de tolerancia apropiados asignados a un portapieza. En algunos casos, la designación de tolerancia es un valor arbitrario predeterminado por el departamento de ingeniería que se asigna a un portapieza sin tener en cuenta la pieza de trabajo específica. A otras tolerancias se asigna un valor específico basado en el tamaño del elemento que se va a posicionar. Aunque son más apropiados que las tolerancias de valor único, no tienen en cuenta los requisitos de la pieza de trabajo. Otro método comúnmente utilizado consiste en usar un porcentaje establecido de la tolerancia de la pieza de trabajo.

Cuanto más cercano sea el valor de tolerancia, mayor será el costo total para producir la pieza de trabajo. Por lo general, cuando se ajusta una tolerancia, el costo de ésta aumenta de forma exponencial en relación con su beneficio. Producir una tolerancia dos veces más ajustada podría costar en realidad cinco veces más.

La manufacturabilidad de una tolerancia, es decir la capacidad de los métodos de fabricación disponibles de lograr una determinada tolerancia, también es un factor crítico. Un simple orificio, por ejemplo, con una tolerancia de ±0.050 pulg., puede realizarse con un punzón. 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 requerirá taladrado y fresado. Finalmente, con una tolerancia de ±0.003 pulg., el orificio debe ser taladrado, fresado pulido para garantizar el tamaño requerido.

Otro factor que se debe considerar en relación con la manufacturabilidad de una determinada tolerancia es si la tolerancia especificada puede fabricarse dentro de la capacidad del taller. Una tolerancia de 0.00001 pulg. es muy fácil de indicar en un plano, pero es imposible de lograr en la amplia mayoría de los talleres.

No hay una tolerancia que sea apropiada para todas las características de una pieza. Aunque una determinada característica 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 características específicas.

La aplicación de tolerancias de tipo porcentual, a diferencia de las tolerancias arbitrarias, puede reflejar de forma precisa la relación entre las tolerancias de la pieza de trabajo y las tolerancias del portapieza. La especificación de las tolerancias del portapieza como un porcentaje de las tolerancias de la pieza de trabajo permite obtener una relación 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 relación proporcional de las tolerancias, independientemente de los tamaños relativos de las tolerancias de la pieza de trabajo. Como regla, el rango de tolerancias porcentuales debería ser del 20 al 50 por ciento de la tolerancia de la pieza de trabajo, normalmente determinada según las normas del departamento de ingeniería.

GUÍA DE SUJECIÓN

Posicionar la pieza de trabajo es la primera función básica de una guía 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 posición se denomina sujeción. Los dispositivos principales utilizados para sujetar una pieza de trabajo son los sujetadores. Para que funcionen correctamente, debe seleccionarse cuidadosamente tanto los dispositivos de sujeción como su ubicación en el portapieza.

Factores que influyen en la selección 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 operación.

Sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Los sujetadores no están diseñados para resistir las fuerzas de corte primarias. El único propósito de los sujetadores es mantener la pieza de trabajo en su posición 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 ésta. Por esa razón, los sujetadores seleccionados para una determinada aplicación sólo deben ser lo suficientemente fuertes para sostener la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las fuerzas de corte secundarias.

La relación 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 móvil 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 precisión de la operación 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 móvil de la prensa de tornillo, al igual que otros sujetadores, simplemente mantiene la pieza de trabajo en su posición contra los posicionadores.

Figura 3-22. Una prensa de tornillo contiene elementos posicionadores y sujetadores.

Sostener firmemente en condiciones de vibración, carga y tensión. Los siguientes factores que se deben tener en cuenta a la hora de seleccionar un sujetador son el nivel de vibración y tensión esperado en la operación. Los sujetadores de leva, por ejemplo, aunque son adecuados para algunas operaciones, no son la mejor opción cuando la vibración es excesiva ya que ésta puede aflojarlos. También es aconsejable agregar un margen de seguridad a las fuerzas estimadas que actúan sobre un sujetador.

Proteger la pieza de trabajo contra daños. El sujetador elegido también debe tener características que no dañen la pieza de trabajo. El daño puede producirse de diferentes maneras. Las principales preocupaciones son la distorsión y las marcas en la pieza. Si la fuerza de sujeción es excesiva, la pieza de trabajo se puede deformar o doblar. El daño 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 más suave para atenuar este problema. El mejor sujetador para una determinada aplicación es aquél que pueda sujetar de forma adecuada la pieza de trabajo sin dañar su superficie.

Mejorar la velocidad de carga y descarga. La velocidad de los sujetadores también es importante para la eficiencia del portapieza. Si la acción de sujeción 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 sujeción y liberación suele ser el factor más importante para mantener el tiempo de carga y de descarga al mínimo.

Colocación de los sujetadores

La posición de los sujetadores en el portapieza es tan importante para la operación general de la herramienta como la ubicación de los posicionadores. Los sujetadores seleccionados deben sostener la pieza contra los posicionadores sin deformarla. Como ya señalamos, dado que el propósito de los posicionadores es resistir todas las fuerzas de corte primarias generadas durante la operación, los sujetadores sólo deben ser lo suficientemente grandes para mantener la pieza de trabajo contra los posicionadores y para resistir las fuerzas secundarias generadas durante la operación. Para cumplir estas dos condiciones, coloque los sujetadores en los puntos más rígidos de la pieza de trabajo. En la mayoría 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 sujeción debe ser absorbida por los elementos posicionadores.

Figura 3-23. Los sujetadores siempre deben colocarse de forma tal que la fuerza de sujeción se dirija a los soportes o a los posicionadores.

En el caso de portapiezas con dos soportes debajo del área de sujeción 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 fácilmente durante la operación de sujeción. Si la pieza de trabajo tiene bridas u otras extensiones utilizadas para la sujeción, debe colocarse un soporte auxiliar debajo del área extendida antes de aplicar un sujetador, figura 3-24b.

Figura 3-24. El número y la ubicación de los sujetadores se determinan en función de la pieza de trabajo y sus soportes.

Otra consideración para tener en cuenta al ubicar los sujetadores es la operación de la máquina herramienta durante todo el ciclo de torneado. Los sujetadores deben colocarse de forma tal que no interfieran con la operación de la máquina herramienta, durante el corte o ciclo de retorno. Dicha colocación es particularmente importante en el caso de máquinas numéricamente controladas. Además de los cortadores, verifique la interferencia entre los sujetadores y otros elementos de la máquina, como pérgola, mandriles, manguitos, carros de torno y columnas.

Cuando utilice una máquina 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 máquina 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 colisión y eliminar la necesidad de programar el recorrido de retorno consiste simplemente en levantar el cortador por encima del área más alta de la pieza de trabajo o del portapieza al final del ciclo de torneado antes de que retorne a la posición inicial.

La mayoría 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 mínimo. 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 más bajo y deben utilizarse en los casos en que se requiere una menor altura del sujetador.

Figura 3-25. El uso de sujetadores tipo cuello de ganso es una forma de reducir la altura de los sujetadores.

El tamaño del área 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 área de contacto lo más reducida que sea posible teniendo en cuenta la seguridad. Un área de sujeción pequeña reduce las probabilidades de interferencia y, además, aumenta la presión de sujeción de la pieza de trabajo. El tamaño 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 pequeño para no estorbar.

Como ya señalamos antes, el principal propósito de un sujetador es mantener la pieza de trabajo contra los posicionadores. Para hacerlo correctamente, la fuerza de sujeción debe direccionarse a los posicionadores, o a la parte más sólida del portapieza. Si los dispositivos de sujeción se colocan de cualquier otra manera, la pieza de trabajo puede distorsionarse o deformarse fácilmente.

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 diámetro interno. La forma más conveniente de sujetar la pieza de trabajo es por su diámetro externo; no obstante, para generar suficiente presión de sujeción para sostener la pieza, es probable que el sujetador deforme el anillo. Esto se debe a la dirección y magnitud de la fuerza de sujeción: en lugar de actuar contra un posicionador, las fuerzas de sujeción actúan contra la fuerza elástica del anillo resistiendo la acción de sujeción. Este tipo de sujeción sólo debe utilizarse si la pieza es un disco sólido o tiene un orificio de diámetro pequeño y una pared de espesor grueso.

Figura 3-26. Si las fuerzas de sujeción se direccionan contra un área sin soporte, esta pieza cilíndrica se deformará.

Para sujetar este tipo de pieza, deben utilizarse otras técnicas. El método de sujeción ilustrado en la figura 3-27 muestra la pieza de trabajo sostenida con cuatro sujetadores tipo brida. La fuerza de sujeción se dirige a la placa de base y no contra la fuerza elástica de la pieza de trabajo. Si la pieza de trabajo se sujeta de esta forma, se elimina la distorsión del anillo causada por el primer método.

Figura 3-27. Los sujetadores tipo brida eliminan la deformación direccionando las fuerzas de sujeción a los soportes debajo de la pieza.

En la figura 3-28 se ilustra un método de sujeción 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, también se direccionará la fuerza de sujeción contra la placa de base del portapieza. Este método requiere soportes con orificios que permiten a los tornillos de sujeción sujetar la pieza a través de los soportes.

Figura 3-28. Cuando sea posible, pueden utilizarse ciertas características de la pieza, como los orificios, para sujetarla.

Si la pieza sólo puede sujetarse por su superficie externa, puede emplearse otro método para sujetarla: una boquilla que encierre completamente la pieza. Como muestra la figura 3-29, la forma del contacto de sujeción ayuda a controlar la distorsión. Dependiendo del tamaño de la pieza, puede usarse una boquilla o mordazas blandas con forma de pastel en este método.

Figura 3-29. Cuando la pieza sólo se puede sujetar por la superficie externa, pueden emplearse mordazas de mandril con forma de pastel para sostener la pieza y reducir la deformación.

Selección del tamaño y fuerza del sujetador

Los cálculos para determinar la fuerza de sujeción necesaria pueden ser bastante complicados. En muchos casos, no obstante, alcanza con una determinación aproximada de estos valores. La tabla de la figura 3-30 muestra las fuerzas de sujeción disponibles para una variedad de bridas de sujeción manuales de diferentes tamaños con un ratio de fuerza de sujeción de 2 a 1.

Figura 3-30. Fuerzas de sujeción aproximadas de bridas de sujeción manuales de diferentes tamaños con una relación de fuerza de sujeción de 2 a 1.

Como alternativa, la fuerza de sujeción 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. Cálculo simplificado de la fuerza de sujeción 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 cálculos se vuelven más complejos. A fin de simplificar los cálculos, puede estimarse la peor situación de fuerza posible de forma intuitiva y luego tratarse como un problema de mecánica estática bidimensional (usando un diagrama de cuerpo libre). En el ejemplo incluido en la figura 3-32, se sabe que la fuerza de corte es de 1800 lbs, sobre la base de un cálculo 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 reacción horizontal del tope fijo
R2 = Fuerza de reacción vertical del tope fijo
R3 = Fuerza de reacción vertical del lado derecho
N = Fuerza de dirección normal = FL + FR + 1500
µ = Coeficiente de fricción = 0.19
Figura 3-32. Cálculo de la fuerza de sujeción más complejo, utilizando un diagrama de cuerpo libre bidimensional.

Las siguientes ecuaciones resuelven las fuerzas desconocidas suponiendo que para una condición estática:

1. La suma de las fuerzas en la dirección x debe ser igual a cero.
2. La suma de las fuerzas en la dirección 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 "estáticamente indeterminado", es decir hay cinco variables y sólo tres ecuaciones. Pero para la fuerza de sujeción mínima 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 sólo tres variables, el problema puede resolverse:

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 pequeña fuerza de sujeción para evitar la vibración.

Otra área general de preocupación es mantener constante la fuerza de sujeción. Los dispositivos de sujeción manuales pueden variar en la fuerza que aplican a las piezas durante una sesión de producción. La variación obedece a muchos factores, entre ellos la posición del sujetador en la pieza de trabajo, aunque el cansancio del operario es la falla más común. La manera más sencilla y a menudo más adecuada de controlar la fuerza de sujeción es reemplazar los sujetadores manuales por sujetadores hidráulicos.

La fuerza generada por los sujetadores hidráulicos no sólo es constante sino que además puede ajustarse para que sea compatible con las condiciones de la pieza de trabajo. Otra ventaja de los sujetadores hidráulicos es su velocidad de funcionamiento: no sólo son más rápidos que los sujetadores manuales sino que todos los sujetadores hidráulicos se activan al mismo tiempo.



Carr Lane Manufacturing Co.
es_1970