ELEMENTOS BASICOS DE LAS MAQUINAS HERRAMIENTASIng. Carlos EcheverraDOCENTE

Mquina herramienta

Fresadora con CNC.

DefinicionesLa mquina herramienta es un tipo de mquina que se utiliza para dar forma a materiales slidos, principalmente metales. Su caracterstica principal es su falta de movilidad, ya que suelen ser mquinas estacionarias. El moldeado de la pieza se realiza por la eliminacin de una parte del material, que se puede realizar por arranque de viruta, por estampado, corte o electroerosin.

DefinicionesEl trmino mquina herramienta se suele reservar para herramientas que utilizan una fuente de energa distinta del movimiento humano, pero tambin pueden ser movidas por personas si se instalan adecuadamente o cuando no hay otra fuente de energa. Muchos historiadores de la tecnologa consideran que las autnticas mquinas herramienta nacieron cuando se elimin la actuacin directa del hombre en el proceso de dar forma o troquelar los distintos tipos de herramientas. Por ejemplo, se considera que el primer torno que se puede considerar mquina herramienta fue el inventado alrededor de 1751 por Jacques de Vaucanson, puesto que fue el primero que incorpor el instrumento de corte en una cabeza ajustable mecnicamente, quitndolo de las manos del operario.

DefinicionesLas mquinas herramienta pueden utilizar una gran variedad de fuentes de energa. La energa humana y la animal son opciones posibles, como lo es la energa obtenida a travs del uso de ruedas hidrulicas. Sin embargo, el desarrollo real de las mquinas herramienta comenz tras la invencin de la mquina de vapor, que llev a la Revolucin Industrial. Hoy en da, la mayor parte de ellas funcionan con energa elctrica

DefinicionesLas mquinas-herramienta pueden operarse manualmente o mediante control automtico. Las primeras mquinas utilizaban volantes para estabilizar su movimiento y posean sistemas complejos de engranajes y palancas para controlar la mquina y las piezas en que trabajaba. Poco despus de la Segunda Guerra Mundial se desarrollaron los sistemas de control numrico. Las mquinas de control numrico utilizaban una serie de nmeros perforados en una cinta de papel o tarjetas perforadas para controlar su movimiento. En los aos 60 se aadieron computadoras para aumentar la flexibilidad del proceso. Tales mquinas se comenzaron a llamar mquinas CNC, o mquinas de Control Numrico por Computadora. Las mquinas de control numrico y CNC pueden repetir secuencias una y otra vez con precisin, y pueden producir piezas mucho ms complejas que las que pueda hacer el operario ms experimentado.

Tipos de mquina herramienta

Por la forma de trabajar las mquinas herramientas se pueden clasificar en tres tipos;

De desbaste o desbastadoras, que dan forma a la pieza por arranque de viruta.

Prensas, que dan forma las piezas mediante el corte, el prensado o el estirado.

Especiales, que dan forma a la pieza mediante tcnicas diferentes, lser, electroerosin, ultrasonidos, plasma...

Convencionales

Entre las mquinas convencionales tenemos las siguientes mquinas bsicas:Torno, es una de las mquinas ms antiguas y trabaja mediante el arranque de material mediante unas cuchillas y brocas. Para ello la pieza gira y mediante un carro en el que se sita la cuchilla se va desgastando la misma obteniendo partes cilndricas y cnicas. Si se coloca una broca en la colocacin correspondiente, se pueden realizar agujeros. Torno mecnico.

TornoHay varios tipo de tornos; los paralelos, que son los convencionales; los de control numrico, que estn controlados por un sistema electrnico programable; los de levas, que el control se realiza mediante unas levas estos tambin son llamado de decoletaje; los tornos revlver, que poseen una torreta que gira, el revlver, en la cual se sitan los diferentes tiles de trabajo.

TaladradorasTaladros, destinadas a perforacin, estas mquinas herramientas son, junto con los tornos, las ms antiguas. En ellas el til es el que gira y la pieza permanece fija a una mordaza o colocacin. La til suele ser normalmente, en los taladros, una broca que, debidamente afilada realiza el agujero correspondiente. Tambin se pueden realizar otras operaciones con diferentes tiles, como avellanar y escariar. Taladradora Un tipo especial de taladradoras son las punteadoras que trabajan con pequeas muelas de esmeril u otro material. Son utilizadas para operaciones de gran precisin y sus velocidades de giro suelen ser muy elevadas.

FresadoraFresadora, con la finalidad de la obtencin de superficies lisas o de una forma concreta las fresadoras son mquinas complejas en las que es el til el que gira y la pieza la que permanece fija a una bancada mvil. El til utilizado es la fresa, que suele ser redonda con diferentes filos cuya forma coincide con la que se quiere dar a la pieza a trabajar. La pieza se coloca slidamente fijada a un carro que la acerca a la fresa en las tres direcciones, esto es en los ejes X, Y y Z. Con diferentes tiles y otros accesorios, como el divisor, se pueden realizar multitud de trabajos y formas diferentes.Pulidora, trabaja con un disco abrasivo que va comiendo el material de la pieza a trabajar. Se suele utilizar para los acabados de precisin por la posibilidad del control muy preciso de la abrasin. Normalmente no se ejerce presin mecnica sobre la pieza.

Fresadora.

De vaivnPerfiladora, se usa para la obtencin de superficies lisas. La pieza permanece fija y el til, que suele ser una cuchilla, tiene un movimiento de vaivn que en cada ida come un poco a la pieza a trabajar. Cepilladora, al contrario de la perfiladora, en la cepilladora es la pieza la que se mueve. Permite realizar superficies lisas y diferentes cortes. Se pueden poner varios tiles a la vez para que trabajen simultneamente. Sierras, son de varios tipos, de vaivn, circulares o de banda. Es la hoja de corte la que gira o se mueve y la pieza la que acerca a la misma.

Prensas

No realizan arranque de viruta, dan forma al material mediante el corte o cizalla, el golpe para el doblado y la presin. Suelen utilizar troqueles y matrices como tiles. Los procesos son muy rpidos y son mquinas de altos riesgo de accidente laboral.

Mquinas no convencionalesElectroerosin, las mquinas de electroerosin desgastan el material mediante chispas elctricas que van fundiendo partes minsculas del mismo. Hay dos tipos de mquinas de electroerosin, las de electrodos, que realizan agujeros de la forma del electrodo o bien desgaste superficiales con la forma inversa de la que tiene el electrodo, hace grabaciones y las de hilo que, mediante la utilizacin de un hilo conductor del que saltan las chispas que desgastan el material, van cortando las pieza segn convenga. En ambos casos durante todo el proceso, tanto el til como la pieza estn inmersos en un lquido no conductor. Arco de plasma, se utiliza un chorro de gas a gran temperatura y presin para el corte del material. Lser, en este caso es un potente y preciso rayo lser el que realiza el corte vaporizando el material a eliminar. Ultrasnica, haciendo vibrar un til a velocidades ultrasnicas, por encima de los 20.000 Hz y utilizando un material abrasivo y agua se van realizando el mecanizado de la pieza por la friccin de las partculas abrasivas. Se usa para trabajar materiales muy duros como el vidrio y el diamante y las aleaciones de carburos.

tiles y fluidos para el corteLos tiles utilizados en las mquinas herramientas tiene una importancia capital para el buen resultado del proceso a realizar. La calidad el material con el que estn construidos as como el preparado muy afilado de los mismos son factores determinantes para la precisin buscada y la duracin del propio til.Una cuestin en extremo importante es la refrigeracin de la operacin. Para ello es necesario el prever de un mecanismo que se encargue de refrigerar la zona de friccin. Esto se realiza con el fluido llamado taladrina que es una mezcla de aceite y agua.

Historia

La evolucin del hombre y en particular de su tecnologa se ha basado en la utilizacin de herramientas, estas eran como la prolongacin de las manos humanas. Las primeras mquinas herramientas que aparecieron fueron los tornos y los taladros. En principio muy rudimentarios y manuales. El movimiento se proporcionaba manual y directamente al til o al material que se quera trabajar. El arco de violn fue ese primer embrin de mquina herramienta cuyo origen se pierde en el tiempo.En 1250 el avance permiti dejar la manos libres para el trabajo al poder imprimir el movimiento necesario con el pie mediante el artilugio de pedal y prtiga flexible.A principios del siglo XVI Leonardo da Vinci tena diseadas tres mquinas fundamentales para el acuado de monedas: la laminadora, la recortadora y la prensa de balancn. Sus diseos serviran de orientacin para el desarrollo de mquinas en el futuro. Por esta poca se descubri la combinacin del pedal con un vstago y una biela para conseguir el movimiento rotativo, que rpidamente se aplic a las ruedas de afilar y poco ms tarde a los tornos, a los cuales hubo que aadir un volante de inercia para poder evitar el efecto alto y bajo que producen los puntos muertos.

HistoriaEl torno va perfeccionndose y sobre 1658 se le aade el mandril y se comienza la mecanizacin de piezas de acero, en 1693 todava no se haba generalizado esa actividad.En 1650, el matemtico francs Blaise Pascal, enunci el principio de la prensa hidrulica, pero no se utilizara para aplicaciones industriales hasta 1770, ao en el que Bramach patentaba en Londres una prensa hidrulica. Aos despus se utilizara en Francia para el acuado de moneda.Los fabricantes de relojes de los siglos XVII y XVIII ya utilizaban tornos y roscadoras que les permitan obtener muy buenas precisiones. Destaca el diseo de roscadora hecho por Jes Ramsden en 1777.

El agua como fuente de movimientoLa rueda hidrulica que proporcionaba movimiento a los molinos y a los martillos pilones y fuelles de las ferreras y herreras desde el siglo XIV y a las barrenadores poco despus paso a ser la fuente de movimiento para los tornos y taladradoras que componan los talleres de los siglos XVII y XVIII, hasta la llegada de la mquinas de vapor verdaderamente prctica que pudo ser construida por Watt gracias a la mandrinadora que John Wilkinson realiz en 1775 que lograba una tolerancia del "espesor de una moneda de seis peniques en un dimetro de 72 pulgadas", precisin suficiente para el ajuste de la mquina de Watt.

El vapor como fuente de movimiento, la RevolucinEn el siglo XVIII aparece la mquina de vapor, siendo una de sus causas de la revolucin industrial y del perfeccionamiento de las mquinas-herramienta. La rueda hidrulica queda sustituida por la mquina de vapor y con ello el taller adquiere independencia en su ubicacin. El movimiento se distribuye mediante poleas a todas las mquinas que lo componen, cosa que ya se haba empezado ha realizar con las ruedas hidrulicas. Tambin se adquiere independencia del tiempo atmosfrico, ya no se depende del caudal de los ros.A partir de este momento comenzara un proceso que dura hasta nuestro da: la necesidad de disear mquinas precisas que permitan crear otras mquinas. Uno de los principales fabricantes de mquinas-herramienta de aquellos tiempos, el ingls Henry Maudslay, sera el primero en darse cuenta de esta necesidad. Fue l el que introdujo mejoras que garantizaron precisiones muy altas y robustez. La utilizacin de bancadas metlicas y las placas gua para los carros porta-herramientas y los husillos roscados-tuerca fueron el fundamento del aumento de precisin y fiabilidad.

Para poder apreciar la precisin de una mquina en un trabajo depreciando hay que tener la herramienta precisa para la realizacin de la medida. El paso importante lo dio en 1805 Maudslay, que ya cinco aos antes haba realizado el primer torno integro de metal con un husillo gua patrn, el aparato medidor era un micrmetro al cual llam El seor Canciller y poda medir hasta la milsima de pulgada.Durante el siglo XIX el desarrollo de la mquina herramienta sera tremendo. Los logros conseguidos por Maudslay fueron el comienzo de un sin fin de mquinas diferentes que daban respuesta a las necesidades de las diferentes industrias manufacturadoras y constructoras con el mecanizado de las piezas que precisaban para su actividad. As pues ante, por ejemplo, la necesidad de planear planchas de hierro se construy el primer cepillo puente. Los herederos tcnicos de Maudslay, Richard Roberts, James Nasmyth y Joseph Whitworth, son los artfices de esta evolucin de creacin. Roberts construye el cepillo puente, Nasmyth, la primera limadora, y en 1817 el alemn Dietrich Uhlhm realiza la prensa de acuacin de monedas, gran avance en la fabricacin de las mismas.

Las prensas se perfeccionan en la segunda mitad del siglo, XIX cuando en 1867 aparece la prensa de ficcin, del francs Cheret, y en tres aos despus la excntrica de la casa Blis & Williams de EEUU.El fresado nace con la guerra de la independencia de las colonias inglesas de Amrica del Norte. La necesidad de la produccin de grandes cantidades de armamento que oblig a su fabricacin en serie, llevo a Ely Whitney a fabricar la primera fresadora en 1818 que 30 aos despus sera perfeccionada por el ingeniero Howe quien la dotara de movimientos en los tres ejes, tambin desarrolla una fresadora copiadora.J. R. Brown introduce el divisor en 1862 constituyendo un importante avance. La fresadora alcanza el mximo desarrollo en 1884 cuando la casa Cincinnati de Estados Unidos construye la fresadora universa que se incorpora por vez primera un carnero cilndrico desplegable axialmente. Otro paso importante, antes de la automatizacin por control numrico, fue la introduccin del cabezal giratorio que permite trabajar en cualquier plano entre el horizontal y el vertical producida en 1894 por el francs Hur.

El torno paralelo que desarroll Whitworth en 1850 se ha mantenido vigente hasta la actualidad y solo sufri la mejora de la Caja Norton introducida en 1890 (Whitworh tambin desarrollo el estndar de rosca que lleva su nombre).En 1854 se introdujo las torretas revlver en los tornos naciendo as el torno revlver que posibilita la realizacin de diferentes operaciones con un solo amarre de la pieza. Una variacin de estos fue la introduccin del trabajo en barra continua. Para 1898 ya se haban desarrollado los tornos automticos (que solucionaban las grandes producciones de pequeas piezas).El liderazgo ingles en el desarrollo y fabricacin de mquinas herramienta pas a principios del siglo XX a los Estadounidenses.El desarrollo de la herramienta va unido al de la propia mquina. As pues en 1865 salen las nuevas herramientas de acero aleado aumentando la capacidad de mecanizado y en 1843 se realizan muelas de esmeril artificiales que permiten sustituir la obsoleta piedra arenisca.

El descubrimiento del acero rpido en 1898 por Taylor y White aument la velocidad de corte (la multiplic por 3) y la capacidad de desprendimiento de viruta (por ms de 7).La fabricacin de muelas desarrolla las rectificadoras, tanto cilndricas como de superficie plana. El descubrimiento del carburo de silicio en 1891 por Edward Goodrich Acheson que proporcion la oportunidad de desarrollar mquinas con grandes velocidades de corte abriendo de esta forma la oportunidad a la construccin de mquinas mucho ms precisas y potentes que eran precisadas por la creciente industria automovilista.El XIX sera el siglo del desarrollo industrial.

El siglo XX, el gran avanceEl siglo XX debe dividirse en dos perodos diferenciados, el que va de principio de siglo a finales de la Segunda Guerra Mundial y desde esta a fin de siglo. Los avances son muy diferentes, mientras que en la primera parte se mantiene el ritmo de siglo XIX, que ya era alto, en la otra la tecnologa progresa muy rpidamente, en especial la electrnica, una nueva, la informtica que permite, junto con el conocimiento de materiales, unos cambios que se pueden considerar como revolucionarios.

Hasta el final de la II Guerra MundialLa electricidad como fuente de movimiento ya se haba desarrollado a finales del XIX. En el XX los motores, de corriente alterna y continua ocupan el lugar de los ingenios de vapor y son los encargados de accionar las transmisiones generales de los talleres industriales.Para 1910 se comienza a utilizar tolerancias de milsimas de metro y se universaliza el micrmetro como aparato de medida de precisin. La industria del automvil acta como motor en el avance de las tecnologas de las mquinas herramientas y de medidas de precisin. Las exigencias de piezas intercambiables y de una precisin cada vez mayor hace que se produzcan avances importantes como el de la punteadora vertical con mesa de coordenadas polares desarrollada por el Suizo Prrenond Jacot que logra precisiones hasta entonces inimaginables.

La incorporacin de diferentes tecnologas, como los cabezales de cojinetes, los rodamientos de bolas o los husillos de bolas hacen que se produzca un considerable aumento de la productividad en toda la industria, en especial en la del automvil.Los avances en materiales, fundamental para la fabricacin de las herramientas de corte, sufre un importante aporte en 1927 con la aparicin de la widia, presentada en la feria de Leipzig (Alemania) por la empresa Krupp.Los sistemas de movimientos y de control se van complicando y mejorando con incorporacin de motores elctricos locales, incluso para los diferentes ejes de una misma mquina, controles hidralicos, neumticos y elctricos.En los aos 20 se desarrolla el concepto de unidades autnomas de mecanizado y con l el de la transferencia de pieza a mecanizar y la unin de ambos da como resultado la mquina transfer que es un conjunto de unidades autnomas.

La segunda mitad del siglo XX

En 1943 el matrimonio de cientficos soviticos Lazarenko descubre y construye las primeras mquinas de electroerosin que se desarrolla a partir de 1950 y en espacial de 1955 cuando los estadounidenses logran realizar mquinas similares. La electroerosin tendra otro avance espectacular al contar con las tecnologas electrnicas de control de finales de siglo y desarrollarse la electroerosin por hilo.En 1948 ya se empiezan a desarrollar los primeros controles electrnicos para fresadoras. Despus de una investigacin protagonizada por el Instituto Tecnolgico de Massachussets se logra realizar un prototipo y presentarlo en 1952 (se programaba mediante cinta perforada y la mquina poda efectuar movimientos simultneos coordinados en los tres ejes).

El desarrollo de la electrnica permite realizar, para comienzos de la dcada de los 70, controles electrnicos. Nace el concepto de control numrico que se generaliza en los aos 80 y se beneficia del nacimiento y avances de la informtica.Con el control numrico y su extensin a todo tipo de mquinas nace el concepto de centro de mecanizado, que es una mquina que es capaz de realizar las funciones de otras de diferente tipo, tornea, fresa, madrina, taladra... tiene un almacn de herramientas y es capaz de posicionar la pieza a mecanizar en las diferente posiciones necesarias y en las diferentes colocaciones. Todo ello con un control centralizado.Las mquinas han ganado en simplicidad mecnica, primero, y en electrnica, despus, al pasar los elementos de control de mecanismos mecnicos a elctricos o electrnicos, primero, y a programacin, despus. Como en el caso de la informtica, el hardware es sustituido por el software.

La unin de mquinas individuales con elementos de transporte y colocacin de las piezas, como robot o prticos, todos ellos controlados desde un sistema de control central y coordinado crean clulas de fabricacin flexibles. A la integracin de la mecnica y la electrnica se le a dado en llamar mecatrnica.Junto al avance de los sistemas de control se ha desarrollado otro, mucho ms silencioso, en referencia a los materiales de construccin de las propias mquinas, desarrollndose plsticos y resinas de dureza y flexibilidad excelentes y sistemas de motores planos que permiten mejores rendimientos en los movimientos de las piezas y herramientas.En cuanto a las herramientas, los progresas en materiales cermicos y en los estudios de las formas geomtricas han influido en un notable rendimiento de las herramientas de corte que ha mejorado ostensiblemente el trabajo realizado.

Estructura bsica

Todas las mquinas herramienta tienen un conjunto de partes, actividades y principios que las distinguen y caracterizan.

Las principales partes y sus funciones

ParteFuncin BaseSostiene y fija a la mquina sobre el piso, una mesa o su propia estructura. Existen tres tipos fundamentales de bases: Anclada al piso o cimentada Soporte sobre mesa o banco Integrada al cuerpo de la mquina Bancada o soporteSoporta las piezas de la mquina, en algunas mquinas sirve para el deslizamiento de las herramientas y en otras para la fijacin de las piezas que se van a trabajar, por lo regular sobre la bancada o soporte se ubica el cabezal fijo de las mquinas. Tren motrizDota de movimiento a las diferentes partes de las mquinas, por lo regular se compone de las siguientes partes: Motor o motores Bandas Poleas Engranes o cajas de velocidades Tornillos sinfn Manijas o manivelas de conexin

Cabezal fijo y husillo principalEn el cabezal fijo se ubican todas las partes mviles que generan el movimiento del husillo principal. El husillo principal es el aditamento en el que se colocan los sistemas de sujecin de las piezas a trabajar. Sujecin de piezas de trabajoFija a las piezas que se van a trabajar, tanto a las piezas que giran como a las fijas, as se tiene: Chucks o mandriles Fijadores de arrastre Prensas Conos de fijacin Ranuras de fijacin Mordazas de uno o varios dientes Platos volteadores Sujecin de herramientasFijan a las herramientas que desprenden las virutas y dan forma, las principales son: Torres Porta buriles Fijadores de una o varias uas Barras porta fresas Broqueros Soportadores manuales

EnfriamientoDotan de lquidos o fluidos para el enfriamiento de las herramientas y las piezas de corte. Por lo regular estn dotados de un sistema de bombeo y de conduccin y recoleccin de lquidos. Mecanismos de avance y/o penetracinPermiten o dotan de movimiento a las herramientas para lograr el desprendimiento continuo de virutas, los principales son: Carros porta herrmientas Brazos prota buriles o fresas Husillos de casco o de deslizamientos (taladro) Mecanismo de control semi automticos o automticosInician o interrumpen una accin de movimiento de una o varias partes de las mquinas, estas pueden ser: Tornillos sinfn conectados a engranes y partes de las mquinas Topes de seal para micro interruptores Motores de paso a paso Unidades lectoras de cinta Unidades receptoras de seales digitalizadas de computadoras CAM Sistemas de alimentacin de material Sistemas de alimentacin de herramientas Sistemas de inspeccin automticos

Elementos de sujecin Los elementos de sujecin en las mquinas herramienta requieren un anlisis especial, an cuando en la presentacin de cada mquina se har especial mencin de sus correspondientes sistemas de fijacin. En esta parte del curso se presentan de manera general algunas sus principales caractersticas.

Chucks o mandriles

Tambin son conocidos como mordazas de sujecin, en el caso especfico del torno existen dos tipos de chucks. Chuk universal e independiente El chuck universal se caracteriza porque sus tres mordazas se mueven con una sola llave y en el independiente cada mordaza es ajustada con una entrada de llave independiente.

MANDRILES DE SUJECCION

Dentro de los mandriles para sujecin se pueden ubicar a los broqueros con mango cnico los que tienen la funcin de sujetar a la broca y su funcionamiento es similar a chuck universal.

Fijadores de arrastre Los fijadores ms conocidos y utilizados son los de plato, los que pueden ser cerrados o abiertos. Todos siempre utilizaran a un arrastrador conocido como perro. Por lo regular son utilizados para el trabajo en torno de puntas o los sistemas divisores de las fresas.

PLATO Y PERRO DE ARRASTRE

Prensas

Conos de fijacin Es un elemento muy utilizado en la mayora de los sistemas en los que la pieza a sujetar tiene un eje de giro. Consiste en una superficie cnica que se inserta en otra superficie cnica, entre estas piezas la fuerza de trabajo ajusta a las superficies impidiendo su separacin, la friccin impide el giro y adems da gran sujecin.

Broca con mango cnico

La mayora de estos elementos de sujecin son los broqueros o las brocas con mango cnico.

Ranuras de fijacin Por lo regular se ubican en las mesas de trabajo de las mquinas herramienta, en ellas se insertan tornillos que con su cabeza se fijan a la mesa y con placas o uas se presiona a las piezas a fijar.

Platos volteadores o divisores

An cuando el fin de estos dispositivos no es la fijacin, son considerados como elementos para evitar que las piezas se muevan de los sitios en las que se van a trabajar.

Platos volteadores o divisores Estos dispositivos sujetan por medio de un chuck o un plato de arrastre a una pieza y con una manivela al liberarlos de las fuerzas de fijacin pueden girar la pieza un nmero de grados especfico.