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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA
MECANICA Y ELECTRICA
UNIDAD TICOMAN
“MANUFACTURA DE UNA BIELA DE UN
MOTOR ALTERNATIVO DE USO
AERONAUTICO”
TESINA
QUE PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO EN AERONAUTICA
PRESENTA
MUNIVE BAUTISTA DIANA STEPHANIE
REYES MARTINEZ OMAR
ASESORES DE TESINA
ING. GUSTAVO ZAMUDIO RODRIGUEZ
México, D.F. a 20 de Septiembre del 2013
ÍNDICE DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................... 1
OBJETIVO GENERAL .................................................................................................................. 2
OBJETIVOS PARTICULARES ..................................................................................................... 4
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA........................................................................................ 5
JUSTIFICACION. .......................................................................................................................... 6
ALCANCE DE LA PROBLEMATICA. ........................................................................................ 7
1. C A P Í T U L O I CONCEPTOS TEORICOS ............................................................. 8
1.1. BIELA
1.1.1. PARTES DE LA BIELA
1.1.2. TIPOS DE BIELAS
1.2. BULON
1.3. PISTON
1.4. COJINETES
1.4.1. TIPOS DE COJINETES
2. C A P Í T U L O II PROCESOS DE MANUFACTURA ............................................ 15
2.1. MAQUINAS HERRAMIENTAS Y FUNCION DE PARTES
2.2. TORNEADO, FRESADO Y TALADRADO
2.3. PROCESO DE ARRANQUE DE VIRUTA
2.3.1. MOVIMIENTOS DE TRABAJO DE LA HERRAMIENTA
2.3.2. ESQUEMA DE LA FRESADORA Y SUS COMPONENTES
2.4. GEOMETRIA DE LA HERRAMIENTA
2.4.1. VIDA DE LAS HERRAMIENTA
2.4.2. DESGASTE DE LAS HERRAMIENTAS
2.4.3. HERRAMIENTAS Y SU SUJECION
2.4.4. PIEZAS Y SU SUJECION
2.4.5. TIPOS DE OPERACIONES
2.4.6. TIPOS DE MAQUINAS
2.5. PORTAHERRAMIENTAS
2.6. OTRAS OPERACIONES DE FRESADO YSUS CORTADORES
2.7. FRESADO EN CONCORDANCIA Y EN CONTRAPOSICION
2.7.1. FRESADO EN CONCORDANCIA
2.7.2. FRESADO EN CONTRAPOSICION
2.7.3. PARAMETROS FUNDAMENTALES EN EL TRABAJO DE FRESADO
2.7.4. CALCULO DE RPM
2.7.5. VELOCIDAD DE AVANCE EN EL FRESADO
2.7.6. VELOCIDAD DE AVANCE EN mm/min
2.7.7. VELOCIDAD DE AVANCE EN mm/rev
2.7.8. PROFUNDIDAD O ANCHURA DE CORTE
3. C A P Í T U L O III TOLERANCIAS ........................................................................ 35
3.1. TOLERANCIAS DIMENSIONALES
3.1.1. CALIDAD DE LA TOLERANCIA
3.1.2. POSICIÓN DE LA ZONA DE TOLERANCIA
3.2. AJUSTES
3.2.1. SISTEMAS ISO DE AJUSTES
3.2.2. INDICACIONES PARA LA ELECCION DEL AJUSTE
3.3. SELECCIÓN Y CALCULO DE TOLERANCIAS, AJUSTES Y JUEGOS
3.3.1. PIE DE BIELA
3.3.2. CABEZA DE BIELA
3.3.3. HOLGURA
4. C A P Í T U L O IV
DISEÑO GEOMETRICO EN CATIA ....................................... 56
4.1. ESTRATEGIAS DE MODELADO
4.2. DESARROLLO DEL DISEÑO
4.3. DIBUJO A DETALLE EN 2D
5. C A P Í T U L O V
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
5.6.
SIMULACIÓN DEL FRESADO EN MASTERCAM .................. 68
DESARROLLO EN MASTERCAM
VENTAJAS DEL CONTROLNUMERICO
AJUSTE DE MAQUINA (OFFSET)
MOVIMIENTOS DE LAS HERRAMIENTAS
PROGRAMACION
OBTENCION DEL CODIGO "G"
6. C A P Í T U L O VI SUJECION Y REFERENCIADO…………………………………79
6.1. INSTRUMENTOS DE MEDICION
6.2. MESA DE ALIMENTACION
6.3. MONTAJE Y REFERENCIADO DE UNA PIEZA EN UNA FRESADORA2
7. . C A P Í T U L O VII VALIDACIÓN DEL METODO
………………………....88
7.1. FACTORES EN LA SELECCIÓN DE MAQUINAS DE CONTROL NUMÉRICO
7.2. COMPARACION ENTRE UNA FRESADORA CONVENCIONAl Y UNA CNC
CONCLUSIONES ........................................................................................................................ 90
BIBLIOGRAFÍA........................................................................................................................... 91
APENDICE ................................................................................................................................... 92
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Esquemático de la biela
9
Figura 2.Tipos de bielas
10
Figura 3. Ensamble del bulón
11
Figura 4. Pistón o Embolo
12
Figura 5. Tipos de cojinetes
13
Figura 6a. Descripción de un cojinete
13
Figura 6b. Descripción de un cojinete
14
Figura 7. Torneado Taladrado y fresado Frontal
17
Figura 8. Trayectoria de desbaste
18
Figura 9. Cortador horizontal y vertical
19
Figura 10. Partes de la Fresadora
22
Figura 11. Geometría del filo de una herramienta
23
Figura 12. Desgaste de las herramientas
25
Figura 13. Cabezal portaherramientas y sujeción Sandvik
26
Figura 14. Portaherramientas
29
Figura 15. Diferentes operaciones de fresado
30
Figura 16. Fresado en concordancia
31
Figura 17. Fresado en contraposición
31
Figura 18. Nomenclatura de las tolerancias
37
Figura 19. Valores para la tolerancia
37
Figura 20. Factor de coste respecto a la calidad de la tolerancia
38
Figura 21. Posición de las zonas de tolerancia de agujeros
38
Figura 22. Posición de las zonas de tolerancia de ejes
39
Figura 23. Sistema de eje base y agujero base
40
Figura 24. Vista frontal y sección A-A de la biela con juego máximo
44
Figura 25. Isométrico y detalle B de la biela con juego máximo
44
Figura 26. Vista frontal y sección A-A de la biela con juego mínimo
45
Figura 27. Isométrico y detalle B de la biela con juego mínimo
45
Figura 28. Vista frontal, sección A-A y corte B-B con juego máximo
48
Figura 29. Isométrico y detalle C de la biela con juego máximo
49
Figura 30. Vista frontal y sección A-A y corte B-B con juego mínimo
49
Figura 31. Isométrico y detalle C de la biela con juego mínimo
50
Figura 32. Bulón dañado
50
Figura 33. Vista frontal, sección A-A de la biela y corte C-C con apriete máximo
52
Figura 34. Isométrico y detalle B de la biela con apriete máximo
53
Figura 35. Vista frontal, sección A-A y corte C-C con apriete mínimo
54
Figura 36. Isométrico y detalle B de la biela con apriete mínimo
54
Figura 37 – 52. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
58-65
Figura 53. Pieza insertada en Mastercam
69
Figura 54. Herramienta para bruñido
71
Figura 55. Posición del cortador
72
Figura 56. Movimientos de la herramienta
72
Figura 57. Trayectoria de corte en Mastercam
78
Figura 58. Calibradores
79
Figura 59.Indicador de caratula
80
Figura 60. Mesa de alimentación de la maquina
81
Figura 61. Prensa para fresadora
81
Figura 62. Partes de la prensa
82
Figura 63. Como sujetar las piezas en una prensa
83
Figura 64a.-64c Referenciar la biela
84-85
Figura 65a.-65c Referenciar la segunda parte de la biela
86-87
INTRODUCCIÓN
En la rama aeronáutica todos los componentes del motor son llevados al límite para sacar sus
máximos beneficios y obtener el mejor desempeño en vuelo. Para esto hablaremos
exclusivamente de la planta de poder, “el motor”. Los motores que se utilizan para impulsar las
aeronaves provienen en su mayoría de los motores de producción en masa, por este motivo sus
componentes internos no están diseñados para ser exigidos 2 a 5 veces sus capacidades
originales, cuando se modifica un motor se aplican dos factores importantes: la reducción de peso
y un mejor diseño. La reducción de peso, asegura una obtención de mayor potencia y menor masa
inercial que implica un menor esfuerzo, y un mejor diseño nos asegura seguridad de que podemos
llevar al máximo las beneficios del conjunto sin que este falle.
Uno de los elementos internos del motor que principalmente se cambian son las bielas. El
aumento de poder que se genera en un motor puede provenir de un cambio en la relación de
compresión, aumento de masa aire/combustible, aumento en sus revoluciones, aditivos
especiales, combustible con mayor energía explosiva, entre otros. Cualquiera que sea el método,
la biela es expuesta a este incremento de poder, aunque no directamente, puesto que el pistón es
el que recibe la fuerza explosiva, pero es la biela quien recibe esta fuerza y está encargada de
transmitirla al cigüeñal. La posición en la cual recibe la fuerza es crítica debido a que forma un
ángulo en el cual la fuerza no actúa en una sola dirección, esta se puede descomponer en los 3
ejes coordenados. La industria aeronáutica ha puesto en la mayoría de sus diseños de motor el
perfil I en sus bielas, pero en esta rama se hace siempre una búsqueda para la obtención de un
mejor rendimiento y mayor seguridad en sus componentes al diseñar perfiles en H y +. No
obstante no se ha establecido claramente qué tipo de perfil puede ser el ideal para un motor
aeronáutico.
La biela es el elemento de unión entre el pistón y el cigüeñal el cual transmite al cigüeñal los
esfuerzos recibidos por el pistón, para transformar el movimiento alternativo en un movimiento
circular continúo. Esta pieza consiste en una barra que posee dos articulaciones en sus extremos y
se pueden distinguir tres partes básicas: cabeza, pie y cuerpo.
Actualmente dentro de la industria la mayoría de los elementos mecánicos por los que está
constituido un motor, se fabrican por procesos tales como; forja, fundición e inyección de metal,
lo que implica construir moldes con una gran resistencia mecánica para soportar los esfuerzos de
compresión, todo ello implicando un gran costo, si se requieren manufacturar prototipos para
realizar pruebas mecánicas; debido a ello el manufacturar estos elementos mecánicos mediante
un proceso de maquinado por arranque de viruta, disminuiría el costo y la obtención de estas
piezas, ya que algunas están elaboradas en aleaciones de acero o aluminio, conservando los
estándares requeridos en la fabricación de estas piezas.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 1
OBJETIVO GENERAL
Diseñar el proceso de manufactura por fresado, de un prototipo para una biela de motor
alternativo de uso aeronáutico, tomando en consideración las funciones, las características de los
materiales tanto físicas como mecánicas, los materiales utilizados y procedimientos a llevar a
cabo en la manufactura, así como también; planos a detalle, ajustes y tolerancias geométricas,
selección de maquinaria y herramentales.
La presente investigación comprende solamente los procedimientos necesarios para la
manufactura de este tipo de elemento mecánico y no se tomara en consideración las
normatividades y estándares para el seguimiento de la manufactura de una biela.
La complejidad en la producción de una aeronave y las expectativas de buen desempeño de las
partes empleadas en su fabricación son tan altas que el aseguramiento de la calidad en este sector
industrial se vuelve un elemento clave.
El estándar aceptado mundialmente por la industria aeronáutica es la Serie 9100 y su
implementación es de gran importancia para las empresas que deseen convertirse en proveedores
de partes y componentes para aeronaves; la Serie 9100 es un modelo para sistemas de
administración de la calidad en el sector aeronáutico basado en norma estándar ISO 9001:2000,
cuya aplicación general está a cargo de la International Aerospace Quality Group (IAQG) y cuya
entidad responsable es la Society of Automotive Engineers (SAE).
Existen tres divisiones de dicho modelo de norma:
NORMA
AMBITO DE APLICACION
AGENCIA RESPONSABLE DE SU
PUBLICACION Y SEGUIMIENTO
AS9100
Estados Unidos y adoptado por las
empresas en América.
Society of Automotive Engineers (SAE) en
America
EN9100
Europa
Association Europeene des Constructeurs de
Materiel Aerospatial (AECMA) en Europa
JISQ 9100
Japón y adoptado en Asia y el Pacifico
Japan Institute for Standard Quality (JISQ) en
Asia/Pacífico
Puesto que las 3 versiones son técnicamente equivalentes, la implementación de cualquiera de
ellas es aceptada por las empresas aeronáuticas en las tres regiones del mundo.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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A continuación se muestra una tabla mencionando las instituciones que realizan los procesos de
certificación del sector aeronáutico:
Entidad
Certificadora
# de afiliados
Normatividad
80 miembros
Serie 9100
(AS9100, EN9100 y JISQ
9100)
-
NADCAP
90 000
miembros de
97 países
ISO 9001:2000
-
Code of Federal Regulations
(Title 14 Aeronautics ans
Space, Subchapter CAircraft)
European Aviation
Safety Agency
(EASA)
Promover los más altos estándares de seguridad y de
protección al medio ambiente en la aviación civil.
Certificar los productos aeronáuticos y las
organizaciones que participan en el diseño,
producción y mantenimiento de dichos productos.
31 países
European Community law:
Regulation (EC) #
1592/2002; Decision of the
management board
amending and replacing
decision 7-03.
Organización de
Aviación Civil
Internacional (OACI)
Administrar los principios establecidos en el
“convenio sobre aviación civil internacional”
Fijar las normas sobre seguridad operacional y de
aviación, así como parámetros de eficiencia y
regulaciones.
188 países
Convenio sobre aviación
civil internacional Anexos 1
a 18
International
Aerospace Quality
Group (IAQG)
Performance Review
Institute (PRI)
Society of Automotive
Engineers (SAE)
Federal Aviation
Association (FAA)
Objetivos
Implementar iniciativas relevantes en material de
calidad.
Impulsar iniciativas en materia de reducción de
costos.
Proveer a nivel internacional, de manera imparcial e
independiente servicios de evaluación y certificación
de manufactura y de productos, reducir costos y
facilitar la relación entre ensambladores finales y
proveedores.
Desarrollar información técnica referente a diferentes
vínculos, la cual involucre estándares para algunos
materiales de consume o de procesos de fabricación y
de operación.
El principal producto de SAE son los estándares
aeroespaciales.
Implementar las acciones necesarias para formar un
sistema nacional de control, monitoreo, regulación y
modernización de todo lo relacionado a la aviación en
el espacio aéreo de los estados unidos.
Generar y publicar las normas y regulaciones
aplicables a la industria, a través de la Federal
Aviation Regulation (FAR)
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 3
OBJETIVOS PARTICULARES
 Modelar la biela haciendo uso del software CAD (Catia V5R21).
 Establecer los planos correspondientes (En los cuales se tomaran en cuenta la biela, bulón,
pistón, pernos y cojinetes) para el cálculo de ajustes, tolerancias geométricas y
dimensionales requeridas.
 Estipular los métodos y procesos más adecuados para la manufactura.
 Seleccionar la maquinaria y herramientas correctas para manufacturar los elementos
mecánicos.
 Analizar el mejor formato de intercambio para la importación y exportación de formatos
CAD.
 Obtención del código G del software CAM (Manufactura Asistida por Computadora) a
partir de la exportación e importación del modelo realizado en Catia y Mastercam.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Para esta investigación se propone la siguiente pregunta:
¿Qué proceso de maquinado es el mejor para realizar una biela?
Los principales atractivos de hacer la pieza por maquinado son:

Exactitud y repetitividad de especificaciones puesto que una vez elaborado o verificado el
programa, puede reproducirse una gran cantidad de veces con gran exactitud.

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.

Se obtiene una mayor precisión en comparación con la forja debido al tipo de materiales y
recubrimientos con que están hechos, al igual que utilizar estrategias de corte
dependiendo del tipo de material de los herramentales y la pieza.

No se requiere el diseño de un elemento extra como lo es el dado en el proceso de forja.
Las desventajas del maquinado en comparación con el proceso de forja son:

El flujo de los granos provee de mejores propiedades a la pieza terminada.

Menos tiempo en la fabricación de la pieza

Requiere de un menor número de operaciones secundarias.

La cantidad de desperdicio de material en el proceso de maquinado es mayor.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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JUSTIFICACIÓN
Aunque, el maquinado de una biela de un motor de combustión interna alternativo se podría
llevar a cabo mediante un proceso por arranque de viruta, no se considera lo más conveniente
para construirlo, ya que el proceso más adecuado tomando en cuenta costos y tiempo, seria por
medio de un proceso de forja, el proceso por arranque de viruta puede tomarse en cuenta como
una buena opción alterna para manufacturar prototipos como anteriormente se ha señalado, las
ventajas son considerables.
Entre las limitaciones de los procesos de maquinado se encuentran, el tiempo necesario para
procesar una pieza y la cantidad de material desperdiciado; a pesar de estos inconvenientes, el
maquinado es indispensable en muchos casos, en especial para producir formas o superficies
complejas en ciertas piezas, obtener mayor precisión en comparación con diferentes procesos y
acabado superficial. Teniéndose la flexibilidad y versatilidad que otros procesos carecen; en
consecuencia este proceso se ha convertido en la primera alternativa en la selección de máquinasherramientas. El maquinado es considerado importante, no solo para la precisión dimensional y la
calidad de las superficies producidas, sino también por su influencia sobre la duración y la
economía general.
También se ha demostrado que la elección de un proceso por maquinado implica el manejo de
algunas variables para el material y los parámetros de proceso; la selección adecuada de estos
parámetros es importante para la productividad de las operaciones de maquinado. Como en todos
los procesos y operaciones de manufactura, todos los parámetros importantes del maquinado se
pueden analizar y especificar de tal manera que se minimice el costo de maquinado y del mismo
modo el tiempo de maquinado por pieza.
Para lograr las diversas actividades y funciones de la manufactura que se describirán, deben estar
organizadas y administradas eficientemente, a fin de maximizar la productividad y minimizar los
costos, al mismo tiempo, mantener los elevados estándares de calidad. Debido a las complejas
interacciones entre los diversos factores involucrados en la manufactura (materiales, maquinas,
personas, información y capital) es esencial una coordinación y administración apropiada de las
diversas funciones y responsabilidades.
Este trabajo se justifica, ya que es factible llevar a cabo componentes individuales, como lo son
prototipos, con un alto grado de precisión y exactitud, ya que cada vez la industria exige un
mayor control de calidad, sin requerir equipos y herramientas costosas para poder construir
componentes y piezas funcionales
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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ALCANCE DE LA PROBLEMÁTICA
Debido a que en la actualidad todas las bielas son producidas por procesos de forjado, ya que los
costos de producción son más económicos y la cantidad de producción es más elevada (pero no
siempre el más eficiente en cuando a exactitud).
El presente trabajo propone la manufactura de la biela mediante un proceso por fresado, proceso
que consiste en desbastar el material mediante arranque de viruta, se considerara como un
proceso que podrá ayudar en técnicas de construcción de prototipos para maquinas térmicas,
dependiendo de la complejidad del diseño, materiales y cantidad de piezas; ya que este método
puede proveer a la pieza, de algunas ventajas como; propiedades físicas y el seguimiento de las
tolerancias propuestas, que con otro tipo de procesos no se lograrían. Teniendo muy en cuenta
que los estándares requeridos en toda la industria de motores para la fabricación de esta pieza son
de suma importancia.
El material que propuesto en la manufactura de la biela será en aluminio 7075, ya que este
material es usado frecuentemente en aplicaciones para el transporte y la aviación, por lo que el
mecanizado será fácil y rápido, puesto que las fuerzas de corte que tienen lugar son
considerablemente menores que en el caso de las generadas con el acero (la fuerza necesaria para
el mecanizado del aluminio es aproximadamente un 30% de la necesaria para mecanizar acero).
El aluminio tiene unas excelentes características de conductividad térmica, lo cual es una
importante ventaja, dado que permite que el calor generado en el mecanizado se disipe con
rapidez.
Ocurre lo contrario si se considera que el coeficiente de fricción entre el aluminio y los metales
de corte es, comparativamente con otros metales, elevado. Este hecho unido a su baja resistencia
hace que se comporte como una masa pegajosa, pudiendo causar el embotamiento de los filos de
corte, deteriorando la calidad de la superficie mecanizada a bajas velocidades de corte e incluso a
elevadas velocidades con refrigeración insuficiente, este problema se debe a un factor conocido
como afinidad química, el cual es favorecido por el calor y la presión de los dos compuestos
químicos, el metal a cortar (en este caso el aluminio) y el cortador, por lo tanto se tomaran todos
estos aspectos en consideración.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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CAPÍTULO I
Conceptos teóricos
INTRODUCCION
La biela es una pieza mecánica que une al pistón, por medio del bulón, con la manivela del
cigüeñal. Este acoplamiento realiza la función de transformar el movimiento alternativo del
pistón en un movimiento de rotación del cigüeñal, transmitiendo la fuerza de la explosión del
primero al segundo.
Ya que el trabajo desarrollado por el embolo a la biela somete está a esfuerzos de compresión y
de flexión debido a la longitud y esbeltez que esta presenta, su longitud está relacionada con el
radio del muñón del cigüeñal. La biela debe combinar una gran resistencia-rigidez y un bajo peso,
para que de esta manera las fuerzas de inercia resultantes del movimiento sean lo más bajas
posibles.
Actualmente se fabrican las bielas buscando una relación peso-resistencia, manufacturándose por
procesos de forja, siendo posteriormente balanceadas y seleccionadas para un mismo motor y
agrupadas de manera que todas las pertenecientes a un mismo motor tengan peso idéntico.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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1.1.
PARTES DE LA BIELA
Básicamente la biela tiene tres partes principales las cuales son:

La cabeza de biela (indicada con el número 26 de la figura 1 Esquemático de la biela) la
cual entra en contacto con el muñón del cigüeñal, la cual esta partida en dos mitades, una
de las cuales forma parte de la biela en sí y la otra, llamada sombrerete, se une a la
primera con tornillos de acero, que se inmovilizan en el montaje para evitar su
aflojamiento durante el funcionamiento. Las dos superficies cilíndricas de la cabeza de
biela están revestidas con un cojinete dividido en dos mitades, de las cuales, una se aplica
al cuerpo de biela y la otra al sombrerete.

El pie de biela (número 1 de la figura 1 Esquemático de la biela), es la parte con el
orificio de menor diámetro, el cual une a la biela con el pistón por medio de un bulón.

El cuerpo de la biela (número 7 de la figura 1 Esquemático de la biela) esta parte es la
parte central de la biela que une a la cabeza y pie de biela, algunas veces esta parte
presenta un conducto para dirigir el aceite a través de ella y llegar a lubricar ciertas zonas
y evitar un desgaste mayor al esperado.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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1.
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11.
12.
13.
Pie de la biela
Bulón
Superficie de deslizamiento (pie de biela)
Cuerpo de la biela
Tuerca
Superficie de deslizamiento (cabeza de la biela)
Cojinete cabeza de la biela
Pistón
Perno del pistón
Cara Frontal
Cabeza de la biela
Perno de la biela
Sombrerete
Figura 1. Esquemático de la biela
1.1.1. TIPOS DE BIELAS
De una forma general, las bielas de un MCIA pueden ser de 2 tipos múltiples o simples:
Las bielas múltiples: son bielas específicas que se aplican a motores con configuraciones
especiales.
Las bielas simples: son aquellas también llamadas convencionales, se conectan al pistón de un
cilindro con el codo del cigüeñal, se encuentran en aplicaciones diversas, ya sea en motores
industriales, motores de marina o de uso aeronáutico, aunque su configuración varía de acuerdo a
su aplicación.
En general, el tipo de bielas utilizadas en un motor depende de la disposición de los cilindros y
del tipo de motor, las bielas simples se utilizan en motores con los cilindros dispuestos en línea o
en V.
En la siguiente imagen se pueden observar diferentes tipos de bielas simples y múltiples
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 2.Tipos de bielas
1.2.
BULÓN
Este es el elemento encargado de unir el pistón a la biela, transmitiendo los esfuerzos generados
por la presión de los gases tras la combustión, por lo que debe de ser robusto y de un peso
reducido para disminuir la inercia al movimiento. Hay tres tipos de montaje del bulón,
representados en la siguiente figura con respecto al pistón y a la biela:



Bulón fijo en el pistón y libre en la biela: este montaje consiste en que el bulón tiene un
ajuste con apriete en el pistón y un ajuste con juego en la biela (las definiciones de juegos
y aprietes se mencionan en el capítulo 3 Tolerancias), donde se inserta un casquillo. En
los extremos del bulón se suelen instalar dos circlips o anillos de retención de seguridad.
Para desmontarlo es necesario calentar el pistón.
Bulón libre en el pistón y libre en la biela: en este caso el bulón tiene un ajuste con juego
tanto en el pistón como en la biela. En la biela es necesario montar un casquillo que
disminuya la fricción y dos circlips en los extremos para que el bulón no se desplace
axialmente y pueda dañar el cilindro. Al ser un ajuste con juego, el montaje y desmontaje
puede realizarse en frio. Esta configuración suele emplearse en motores de altas
prestaciones.
Bulón libre en el pistón y fijo en la biela: el bulón tiene un ajuste con juego con el pistón
y con apriete en la biela. Con este sistema se prescinde del casquillo del pie de biela y de
los circlips de seguridad. Para el desmontaje y montaje es necesario calentar la biela y
utilizar un útil de centrado del bulón. Esta disposición es la más utilizada en los motores
de automoción.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 3. Ensamble del bulón:
Bulón fijo en el pistón y libre en la biela, Bulón libre en el pistón y libre en la biela, Bulón libre en el pistón y fijo
en la biela
1.
2.
3.
4.
5.
1.3.
Bulón
Pistón
Biela
Circlip
Casquillo de la biela
PISTÓN
Se denomina pistón a uno de los elementos básicos del motor de combustión interna, se trata de
un émbolo que se ajusta al interior de las paredes del cilindro mediante aros flexibles llamados
segmentos o anillos. Efectúa un movimiento alternativo, obligando al fluido que ocupa el cilindro
a modificar su presión y volumen o transformando en movimiento el cambio de presión y
volumen del fluido. A través de la articulación de biela y cigüeñal, su movimiento alternativo se
transforma en rotativo en este último.
Esquema simplificado del movimiento pistón/biela puede formar parte de bombas, compresores y
motores se construye normalmente en aleación de aluminio los pistones de motores de
combustión interna tienen que soportar grandes temperaturas y presiones, además de velocidades
y aceleraciones muy altas. Debido a estos se escogen aleaciones que tengan un peso específico
bajo para disminuir la energía cinética que se genera en los desplazamientos. También tienen que
soportar los esfuerzos producidos por las velocidades y dilataciones.
El material más elegido para la fabricación de pistones es el aluminio y suelen utilizarse aleantes
como: cobre, silicio, magnesio y manganeso entre otros.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 4. Pistón o Embolo
1.4.
COJINETES
Los cojinetes son elementos importantes en todo motor de combustión, las complejas exigencias
y las cada vez más elevadas cargas a las que son sometidos los cojinetes de las partes móviles de
un motor como son los cigüeñales, las bielas, los pistones y el eje de levas, obligan de cierta
manera a la utilización de materiales perfectamente adaptados a la aplicación requerida. A
continuación se mencionan los tipos de cojinetes utilizados en un MCIA.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 5. Tipos de cojinetes
1.4.1. TIPOS DE COJINETES

Los semi-cojinetes lisos se usan tanto como cojinetes de biela, como cojinetes principales
en la mayoría de los casos se trata de semi-cojinetes compuestos finos. Los cojinetes
bimetálicos tienen un dorsal de acero en el que el metal antifricción, normalmente de
aluminio, se reviste con adiciones de estaño y cobre.
1. Plano de separación
2. Rebaje en la superficie de
deslizamiento
3. Espesor de pared
4. Cara frontal
5. Barreno de engrase
6. Anchura del cojinete
7. Agujero de retención
8. Ranura de engrase interior
9. Leva izquierda
10. Leva derecha
Figura 6a. Descripción de un cojinete

Semi-cojinetes sin levas de fijación Las levas de fijación en los semi-cojinetes sirven
sólo para facilitar el montaje manual. Cuando los motores se montan con máquinas, las
levas estorban. Por este motivo, algunos semi-cojinetes de los motores modernos no
disponen de levas de fijación.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 14

Casquillos Salvo pocas excepciones, se utilizan finos bujes de material compuesto de
acero como bujes de bielas, de ejes de levas o de balancín.
Figura 6b. Descripción de un cojinete
1.
2.
3.
4.
5.

Ranura de engrase
Junta de tope
Bolsa de aceite
Anchura de buje
Espesor de pared
Cojinetes de ajuste: Los cojinetes de ajuste (también llamados semi-cojinetes de
collarín) aseguran el guiado axial del cigüeñal para el asiento de los mecanismos de la
biela. Los collarines de este tipo de cojinete están listos para el montaje y no se deben remecanizar.
CAPÍTULO II
PROCESOS DE MANUFACTURA
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 15
INTRODUCCIÓN
En el presente capitulo se plantean las etapas que intervienen en la manufactura asistida para
fabricar un componente geométricamente irregular ejemplificando la biela de un motor
alternativo. Se menciona la metodología a utilizar para la realización del trabajo, destacando el
desarrollo de un código que con su descripción permita generar información de forma específica
para cualquier máquina de control numérico.
Actualmente en el mercado encontramos una gran diversidad de productos los cuales fueron
fabricados por procesos de moldeo o forja, sus diversos materiales ofrecen características
deseables para el consumidor como son: intercambiabilidad de las partes, buen acabado
superficial, excelentes propiedades mecánicas, variedad de colores, bajo peso, aislantes térmicos,
etc. La mayoría de las propiedades relacionadas con el acabado del producto dependen del molde
con el que fueron fabricados. Por eso un buen proceso de manufactura nos puede evitar la espera
de cualquiera de los fabricantes de moldes.
Los procesos de manufactura tradicional consisten en ir arrancando material sobrante hasta
obtener la superficie deseada, para ello se hace incidir una herramienta afilada contra la pieza, el
contacto se realiza a elevada velocidad y elevada presión, generando la suficiente fuerza para
deformar y fracturar una parte de la pieza.
Dependiendo de cómo se origine la velocidad de contacto y la forma de la herramienta se
distinguen los diferentes métodos de mecanizado o familia de procesos, con los que se obtienen
distintas geometrías y combinándolos se puede obtener formas muy complejas. En este capítulo
se estudiará el proceso de arranque de material, y a continuación desarrollar cada uno de los
métodos y equipos, así como estudiar las operaciones y piezas que se pueden llevar a cabo con
ellos, Aunque se hace referencia al mecanizado de metales, todos los proceso se pueden aplicar a
plásticos y maderas variando algunos parámetros, y algunos procesos se pueden aplicar a
cerámicas y vidrios.
2.1.
MAQUINAS HERRAMIENTAS Y FUNCION DE PARTES
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 16
Las máquinas herramientas fabrican piezas con ayuda de herramientas, utilizando energía
eléctrica para realizar el trabajo necesario para arrancar el material, llamadas así en su inicio por
sustituir el empleo de la energía humana y herramientas manuales, en la fabricación artesanal.
Las máquinas herramientas se pueden clasificar en función del movimiento de corte, de quien
posea ese movimiento y el número de los filos de la herramienta.
Una máquina herramienta está formada por: bancada, sistema de accionamiento, elementos de
fijación y maniobra para la pieza y la herramienta y diversos accesorios, teniendo todas ellas una
composición muy similar. Para asegurar la exactitud de las piezas fabricadas, los elementos de las
máquinas deben ser fabricados de forma más precisa para asegurar la exactitud en sus
desplazamientos, formando un conjunto robusto capaz de soportar los esfuerzos entre la
herramienta y la pieza.
Las máquinas actuales han cambiado mucho externamente, todas las maniobras son controladas
por motores que eliminan cualquier accionamiento manual, relegando al operario a un manejo
mediante teclado, por este cambio y para salvaguardar de cualquier peligro al operario, las
máquinas se han apantallado mediante paneles dejando exclusivamente un acceso a la zona de
trabajo mediante una puerta corredera. Sin embargo, internamente tienen la misma disposición,
bancada, guías, accionamientos, cabezales, etc., aunque mejor dimensionados siendo más
robustos y menos pesados. El grado de automatización depende de la cantidad de piezas de la
serie, en general, se emplean máquinas corrientes para producciones pequeñas y máquinas
automáticas para producciones grandes
2.2.
TORNEADO, FRESADO Y TALADRADO
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 17
Dentro de la familia de procesos de mecanizado destacan por su importancia el torneado, el
fresado y el taladrado. Se diferencia en el movimiento relativo entre la herramienta y la pieza,
este movimiento se determina por un movimiento principal o movimiento de corle y por un
movimiento .secundario o movimiento de avance.
El más sencillo y conocido es el taladrado, la pieza sujeta sin ningún movimiento es atravesada
por una herramienta de varios filos que gira (movimiento de corte) y al mismo tiempo se desplaza
hacia la pieza (movimiento de avance) produciendo una superficie de revolución interior. La
operación más conocida es el taladrado realizada con brocas, teniendo el mismo principio de las
taladradora manuales utilizadas en bricolaje.
En el lomeado la pieza gira alrededor de su eje de revolución (movimiento de corte) y la
herramienta con un único filo arranca material por cada vuelta de la pieza, al desplazarse la
herramienta (movimiento de avance) produce un arranque de material continuo, obteniendo una
superficie de revolución interior o exterior. Este proceso está emparentado con el torno del
alfarero, en el cual la arcilla giraba y era moldeada por los movimientos de las manos o
herramienta del artesano.
El fresado es un proceso contrario al lomeado, en cuanto a movimientos se refiere, ahora la
herramienta de filos múltiples es la que gira (movimiento de corte) y la pieza se desplaza
(movimiento de avance), obteniendo una superficie de generatriz plana, aunque combinando
movimientos de avance en distintos ejes, se puede conseguir casi cualquier superficie. Hay dos
modalidades de fresado, fresado frontal y fresado tangencial.
Figura 7. Torneado Taladrado y fresado Frontal
2.3.
PROCESO DE ARRANQUE DE VIRUTA
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 18
Uno de los principales procesos es el de desbaste, al cual también se le puede llamar proceso de
arranque de viruta que consiste en arrancar en forma de virutas o partículas, el exceso de material
de un semi-producto previamente concebido, utilizando máquinas-herramientas cortantes
adecuadas, para conseguir la geometría de la pieza deseada y las especificaciones planteadas.
El método de arranque de viruta es el único que permite construir piezas con una exactitud del
orden de micras. En el maquinado se obtienen acabados superficiales muy finos, como es en el
caso de operaciones de rectificado, pulido, etc. Se realiza mediante la penetración de una
herramienta, cuyo material es de mayor dureza que el de la pieza acortar. Esta penetración ocurre
mientras se efectúa el movimiento relativo entre la piza a trabajar y la herramienta de corte.
Figura 8. Trayectoria de desbaste
El intervalo de ángulo de avance en el mayor de parte de los cortadores es de 0 a 45°. El ángulo
de presión también influye sobre el cortador. Se puede ver que a medida que disminuye el ángulo
de avance hay un componente vertical de la fuerza cada vez más pequeño (fuerza axial sobre el
usillo del cortador). Hay una gran variedad de cortadores disponibles. Se debe escoger el
diámetro de tal manera que no interfiera con soportes y demás componentes en el conjunto. En
una operación típica de careado con cortador, la relación del diámetro del cortador D entre el
ancho del corte w no debe ser menor que 3.2mm.
También se puede hacer mediante un fresado de refrentado o careado en cual el cortador gira a N
rpm, y la pieza se mueve en una trayectoria recta a una velocidad v. A causa del movimiento
relativo entre los dientes cortantes y la pieza, un cortador de careado deja marcas de avance en la
superficie maquinada, parecidas a las que quedan en las operaciones de cilindrado. Nótese que la
rugosidad superficial de la pieza depende de la geometría del filo del inserto y del avance por
diente. El Angulo de posición o avance del inserto en el careado tiene una influencia directa sobre
el espesor de viruta no deformada. A medida que aumenta el ángulo de posición, disminuye el
espesor de viruta no deformada (así como el espesor en general de la viruta), y aumenta la
longitud de contacto.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 9. Cortador horizontal y vertical
Es importante la relación entre el diámetro del cortador y los ángulos de los insertos, así como su
posición en relación con la superficie que va a acortar, porque determinara el ángulo con el cual
el inserto entra y sale de la pieza. En el cortado concurrente, se nota que si el inserto tiene
ángulos de ataque axial y radial iguales a cero, la superficie de ataque del inserto entra de frente a
la pieza. Sin embargo, el mismo inserto entra en la pieza en ángulos distintos que dependen de las
posiciones relativas del cortador y la pieza. Por otra parte los primeros contactos (entrada,
reentrada y las dos salidas) están en ángulos y alejados de la punta del inserto. En consecuencia
hay menos tendencia del inserto a fallar, porque las fuerzas sobre el varían con más lentitud.
Una de las aplicaciones más comunes en el cortado de alta velocidad con un cortador frontal, que
se apega a las mismas descripciones generales acerca de las rigidez de las maquinas, dispositivos
de sujeción, etc. Una aplicación característica es el cortado de piezas para usos aeroespaciales de
aleación de aluminio, y de estructuras de panal, con velocidades de husillo del orden de
20,000rpm.
Una buena refrigeración con los medios refrigerantes adecuados se traduce en mejora de la
calidad superficial y un aumento del tiempo de duración del cortador. Aparte de esto, el medio
refrigerante, que es proyectado con un chorro fuerte sobre el punto de corte, ha de arrastrar las
virutas que se desprendan con objeto de que estas no se queden enganchadas entre la superficie
de trabajo y los dientes del cortador.
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2.3.1. MOVIMIENTOS DE TRABAJO DE LA HERRAMIENTA
Los movimientos que intervienen en el proceso de arranque de la viruta son los siguientes:
Movimiento en vacío: Es todo aquel movimiento en los cuales no se arranca material, como
movimientos de aproximación, alejamiento o posicionamiento, siendo movimientos
improductivos.
Movimiento de penetración: Determina el espesor de la viruta.
Movimiento de corte: Es el movimiento que sin movimiento de avance, sólo arrancaría material
durante una revolución o una carrera.
Movimiento de avance: Combinado con el movimiento de corte, produce un arranque de viruta
continuo.
Los parámetros que intervienen son:
Sobre-espesor: Es espesor que debe ser arrancado de la pieza en bruto, para conseguir la
geométrica, dimensión y acabado exigidos. Si el sobre-espesor es muy grande, originará un
mayor tiempo de mecanizado, un mayor desperdicio de material y aumentará el coste de
fabricación. Unidades mm.
Profundidad de corte (p): Es la profundidad de la capa arrancada de la superficie de la pieza en
una pasada de la herramienta y se mide en sentido perpendicular, no pudiendo superar la
profundidad máxima permitida por la herramienta (p máx.). Unidades mm.
Velocidad de corte (Ve): Es la velocidad de desplazamiento de la herramienta respecto a la pieza
en la dirección del movimiento de corte. El movimiento de corte puede ser rotativo o lineal; en el
primer caso, la velocidad de corte es la velocidad tangencial del diámetro máximo (D) de la zona
de contacto entre la herramienta y la pieza. En el segundo caso, es la velocidad relativa entre la
pieza o la herramienta. Unidades m/min.
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Movimiento de corte rotativo:
D
Diámetro máximo de la zona de contacto entre la herramienta y la pieza en mm.
Revoluciones por minuto a que gira la pieza o la herramienta en
.
Avance por diente ( ): Desplazamiento de cada diente de la herramienta respecto de la pieza por
cada revolución o carrera, para herramientas de varios filos o dientes ( ). Unidades
.
Avance ( ): Desplazamiento de la herramienta respecto de la pieza por cada revolución o carrera,
para herramientas de un solo filo de corte es un dato del fabricante. Unidades
o
.
Velocidad de avance ( ): Desplazamiento de la herramienta respecto a la pieza en la dirección
del movimiento de avance por unidad de tiempo. Unidades
.
Velocidad en vacío (
): Es la velocidad a la que se desplaza la herramienta o la pieza cuando
no se mecaniza en los movimientos de aproximación o alejamiento, se realiza a la máxima
velocidad de la máquina.
Tiempo de mecanizado ( ): Es el tiempo necesario para mecanizar una longitud ( ) a la
velocidad de avance. Este tiempo servirá para calcular el número de piezas que es capaz de
mecanizar la herramienta, suponiendo una duración o vida . Unidades minutos.
En el fresado la herramienta se sujeta en el cabezal de la máquina y tiene el movimiento de corte
(de rotación), y la pieza realiza el movimiento de avance y el movimiento de penetración, aunque
hay alguna modalidad de fresadora vertical en la cual la herramienta realiza el movimiento de
penetración.
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Herramienta: movimiento de corte Vc
Pieza: movimiento de avance
Va
Movimiento de penetración
p
Los parámetros de corte de la herramienta para esta operación son la velocidad de corte (Vc) y su
diámetro la velocidad de rotación (n) directamente, avance por diente (az) y penetración (p) o
volumen de viruta por diente.
2.3.2. ESQUEMA DE UNA FRESADORA Y SUS COMPONENTES
Los principales componentes de una fresadora: la bancada sustenta todos los órganos de
transmisión de movimiento y del motor, dispone de unas guías verticales (eje z) para el
movimiento del carro sobre el cual se guía transversalmente y longitudinalmente (ejes xy) la
mesa, sobre sus ranuras en forma de T se fija la pieza o el útil de sujeción, el cabezal principal
transmite el movimiento de rotación al eje sobre el que se fija la herramienta, su velocidad se
selecciona mediante el sistema de palancas.
En el caso de la fresadora vertical, el motor del husillo principal se encuentra en la parte superior
fuera de la bancada.
Figura 10. Partes de la Fresadora
1.
2.
3.
4.
5.
6.
La bancada
Movimiento del carro
La mesa
Eje de rotación
Cabezal Principal
Sistema de palancas
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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2.4.
GEOMETRIA DE LA HERRAMIENTA
El Angulo desprendimiento (ϒ) d varía entre 5 y 30°, los valores positivos reducen el rozamiento
entre la herramienta y la viruta, y por lo tanto, reduce la fuerza y la potencia de corte. Los valores
negativos o herramientas negativas aumentan el Angulo de filo (β), siendo herramientas más
robustas.
Figura 11. Geometría del filo de una herramienta
El Angulo de incidencia (α) varía entre 5 y 10°, interesa que sea lo más pequeño posible para
tener mayores ángulos de filo β, pero valores muy pequeños hacen aumentar el rozamiento de la
herramienta y la superficie mecanizada, incrementando las temperaturas de corte.
El ángulo de posición depende en gran medida de la operación que se desea realizar, ya que en la
mayoría de ocasiones se debe realizar superficies que formen 90° lo que obliga a los valores
negativos de λ, cuando esto no es necesario, se disponen ángulos positivos (corte oblicuo) que
produce un enroscamiento de la viruta continua en forma de muelle, el cual se puede dirigir al
portaherramientas o contra la pieza provocando su fractura, actuando de rompevirutas.

El radio de la punta (r): es el radio de acuerdo en el filo de la herramienta, desde el punto
de vista del acabado superficial interesa que sea lo mayor posible, estando limitado por el
tamaño de la herramienta y por los radios de acuerdos acotados en los planos de las
piezas. El valor de la rugosidad total de la superficie mecanizada es función del radio de
la punta y del avance, pudiendo expresarse por:
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Página 24
Tabla 1. Angulo de incidencia y de desprendimiento para algunos materiales
2.4.1. VIDA DE LAS HERRAMIENTAS
La vida de una herramienta o límite de uso es el tiempo durante el cual se puede mecanizar sin
pérdida significativa de calidad en la superficie de la pieza, este límite no es fijo y se suele
relacionar con una magnitud que se pueda medir, como lo es el ancho de desgaste en la propia
herramienta, por esfuerzos de corte o por incremento en la dimensión de la superficie
mecanizada. No es conveniente el uso de la herramienta hasta su rotura, por los daños y
desajustes que causa en la pieza y en la máquina.
Hay tres formas posibles de fallo de una herramienta:
1. Fallo por fractura, debido a una fuerza de corte excesiva en la punta de la herramienta o
impactos sucesivos en cortes intermitentes.
2. Fallo por temperatura, un rozamiento elevado produce un incremento en la temperatura de
la herramienta, produciendo una disminución de su resistencia y ocasiona una
deformación plástica que implica la pérdida del filo.
3. Desgaste gradual, debido al rozamiento la herramienta pierde material en el filo de forma
progresiva.
En los dos primeros fallos son indeseables por perder prematuramente la vida de la herramienta y
en la mayoría de casos se pueden evitar cambiando las condiciones de corte y utilizando fluidos
de corte, mientras que el desgaste gradual aprovecha toda la vida de la herramienta.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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2.4.3. DESGASTE DE LAS HERRAMIENTAS
El desgaste se produce en la superficie de incidencia o desgaste del filo y en la superficie de
desprendimiento o desgaste de cráter.
El desgaste de cráter es una hendidura cóncava en la superficie de desprendimiento formada por
el rozamiento de la viruta. El desgaste del filo es una superficie rugosa en la superficie de
incidencia creada por el rozamiento con la superficie mecanizada, este desgaste se mide a través
del ancho de la franja de desgaste FW (flank wear). El desgaste del radio es consecuencia del
crecimiento del desgaste del filo.
Figura 12. Desgaste de las herramientas
Las causas del desgaste por el rozamiento entre dos superficies son: abrasión mecánica de las
partículas de mayor dureza, adhesión o micro soldaduras que posteriormente se desprenden,
difusión o pérdida de átomos de la superficie de la herramienta y deformación plástica del filo
debidas a las elevadas presiones de contacto. Todos estos mecanismos se aceleran al elevar la
velocidad de corte y la temperatura de trabajo.
2.4.4. HERRAMIENTAS Y SU SUJECION
Las herramientas de la fresadora son multifilo y pueden ser enterizas o de plaquitas
intercambiables. Los principales tipos son:




Fresas cilíndricas y fresas cilíndricas frontales
Fresas de disco
Fresas de mango
Fresas con forma: fresas angulares, fresas frontales-angulares
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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La sujeción de las herramientas en las fresadoras puede ser:




Montaje sobre el eje principal (para las fresas de agujero)
Montaje sobre porta pinzas (para las fresas con mango)
Sistemas de mandrilado
Sistemas modulares
Las herramientas de torno son monofilo y pueden ser enterizas, soldadas y plaquitas
intercambiables, en las primeras toda la herramienta es del mismo material, mientras que las
soldadas o las plaquitas intercambiable, la herramienta está formada por el elemento de corte y un
mango.
Los principales tipos de herramientas son:








Refrentado y cilindrado de exteriores e interiores
Ranurado exterior e interior
Tronzado
Roscado exterior e interior
La sujeción de las herramientas en los tomos puede ser:
Portaherramientas de simple brida, fijación mediante brida y una sola herramienta.
Torre portaherramientas, fijación mediante tornillos para 4 herramientas.
Torre portaherramientas regulable en altura
Sistemas modulares de fijación, son sistemas de cambio rápido y precisos con elementos
modulares intercambiables.
Figura 13. Cabezal portaherramientas y sujeción Sandvik
En los tornos convencionales las herramientas se fijan en el carro, teniendo únicamente los
desplazamientos transmitidos por los carros, los tomos modernos disponen de cabezales
portaherramientas (uno o más) con desplazamientos independientes, y con herramientas
motorizadas que girar sobre su propio eje.
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Además de las herramientas propias del torneado, se pueden colocar brocas en el cabezal móvil
directamente sí disponen de mango cónico o sobre un porta brocas sí son de mango cilíndrico
(mismo sistema que el utilizado en taladradoras), pero en el caso del torno, el taladro se realiza
con la broca sin girar y es la pieza la que gira. También se pueden colocar herramientas de roscar
para pequeños diámetros.
2.4.5. PIEZAS Y SU SUJECIÓN
Las piezas mecanizadas en fresadoras son superficies con una generatriz plana, aunque con
sistemas de control numérico y herramientas de punta esférica se pueden conseguir superficies
esféricas con escalones al realizar pasadas a distancias tan pequeñas como se desee
La sujeción de las piezas depende de la forma del material de partida y dimensiones, habiendo
dos tipos de sujeción:

Directamente sobre la mesa, con sistemas de bridas o gatos.

Mediante un útil realizado medida o mediante algún accesorio:
1. Mordazas para piezas de caras paralelas
2. Mesas magnéticas para piezas de pequeño espesor y una cara plana
3. Platos de garras para piezas cilíndricas
4. Mesas divisoras, para añadir un movimiento de giro de la pieza
Las superficies obtenidas en las piezas mecanizadas son superficies de revolución entorno a un
eje, aunque descentrando la pieza, se pueden obtener superficies con distintos ejes de revolución,
como en el torneado de cigüeñales. Las piezas de partida pueden tener cualquier forma,
normalmente son cilíndricas, sus dimensiones determinan las dimensiones que deben tener los
tomos: distancia entre cabezal y guías para el diámetro máximo y distancia entre apoyos para
longitud de mecanizado.
Las formas poligonales de tres o cuatro lados son fáciles de sujetar en platos de tres o cuatro
garras, el resto precisan sustituir el plato por de placas de apoyo y bridas. Las posibilidades de
sujeción de las piezas son las siguientes:




Mecanizado al aire, sujeta en un plato y el otro extremo al aire
Mecanizado entre plato y punto
Mecanizado entre puntos y sistema de arrastre
Mecanizado con luneta fija o luneta móvil
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2.4.6. TIPOS DE OPERACIONES
Las operaciones que se pueden realizar en fresadora son:






Fresado frontal
Fresado tangencial
Fresado en escuadra y en Angulo
Fresado de ranuras
Fresado de rampas y fresado de contornos
Taladro y roscado
2.4.7. TIPOS DE MAQUINAS
Principales tipos de fresadoras:

Fresadoras horizontales

Fresadoras verticales

Fresadoras universales

Fresadoras de 5 ejes, además de XYZ, la herramienta puede inclinarse girando respecto 2
planos ortogonales.
Fresadora tipo hexápodo, son las maquinas más modernas y un cambio grande en la
estructura de las maquinas herramientas convencionales, la herramienta está sujeta sobre
6 brazos extensibles que orientan la herramienta en el espacio, pudiendo ser horizontales
o verticales

2.5.
PORTAHERRAMIENTAS
Los cortadores se clasifican en cortadores de árbol y de zanco. Los cortadores de árbol se montan
en un árbol o eje en operaciones como cortado plano, refrentado, compuesto y de contorno. En
los cortadores de zanco, el cortador y el zanco son de una pieza. Los ejemplos de cortadores de
zanco son los de calado. Aunque los cortadores pequeños frontales tienen zancos rectos, los
mayores tienen zancos cónicos para poder sujetarse mejor y resistir las mayores fuerzas y pares
que se desarrollan.
Los cortadores con zancos rectos se montan en broqueros de pinzas (boquillas) o en sujetadores
especiales; los de zancos cónicos se montan en portaherramientas cónicos. Además de los
portaherramientas mecánicos, se consiguen portaherramientas y arboles hidráulicos. La rigidez de
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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los cortadores y sus portaherramientas es importante en la calidad de la superficie, y para reducir
la vibración y el traqueteo durante las operaciones de cortado. Los portaherramientas cónicos
convencionales tienen tendencia a desgastar y abocadarse, debido a las fuerzas radiales que se
desarrollan en el cortado.
Figura 14. Portaherramientas
2.6.
OTRAS OPERACIONES DE FRESADO Y SUS CORTADORES.
En el fresado compuesto (gemelo) se montan dos o más cortadores en un eje y con ellas se
maquinan dos o más superficies paralelas sobre la pieza. El fresado de contorno (deslatonado o
con cortadores con despulla o retorneadas, que produce perfiles curvos, usa cortadores con
dientes de forma especial; esos cortadores se usan también para tallar dientes de engranes.
Los dientes pueden estar ligeramente atascados, como los de una segueta para proporcionar
holgura al cortador cuando se realizan ranuras hondas. Las sierras de cortar son relativamente
delgadas, por lo general de menos de 5mm
. Los cortadores para ranuras en T son para
maquinar ranuras como la de las mesas de máquinas herramientas, para sujetar las piezas.
Primero se corta una ranura con un cortador frontal y a continuación el cortador de ranura en T
corta el perfil completo de la ranura en un paso.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Figura 15. Diferentes operaciones de Fresado
Los cortadores de cuñeros o de chaveteros se usan para cortar los chaveteros redondos en los
ejes. Las fresas en ángulo (ángulo sencillo o doble) son para producir superficies oblicuas a
diversos ángulos.
Los cortadores huecos (Shell mill) se montan en un zanco; esto les permite usar el mismo zanco
con cortadores de diversos tamaños. El cortador con un solo diente de corte montado en un usillo
de alta velocidad se llama corte al vuelo; por lo general se usa en operaciones sencillas de cortado
de refrentado y de barrenado. Se puede conformar la herramienta como si fuese de una punta, y
se puede colocar en diversas posiciones radiales en el husillo.
2.7.
FRESADO EN CONCORDANCIA Y EN CONTRAPOSICIÓN
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 31
Es un factor importante a tener en cuenta, pues afecta el acabado de la pieza, la vida de la
herramienta y la fiabilidad de la máquina. Es una variable que a la que afectan valores tales como
el material, el tipo de herramienta, la profundidad de pasada, la sujeción de la herramienta, la
potencia y estado de la máquina.
2.7.1 FRESADO EN CONCORDANCIA
El fresado convencional es equivalente al movimiento que se haría con una pala, es decir desde
abajo hacia arriba. El espesor de viruta y la presión de corte aumentan, según va avanzando la
herramienta, gradualmente y alcanza su máximo, justo al final del corte del diente sobre el
material.
Cuando la fresa se aparta del material, la presión de corte se elimina de golpe, de forma que la
fresa salta hacia adelante y el siguiente diente penetra el material lo que provoca vibración de la
herramienta y marcas en la superficie de la pieza.
Figura 16. Fresado en concordancia
2.7.2 FRESADO EN CONTRAPOSICIÓN
El fresado en contraposición es equivalente al movimiento que se haría con un pico, es decir
desde arriba hacia abajo. Cuando el diente penetra, el espesor de la viruta y la presión de corte
adoptan su valor máximo y la presión de corte adquiere su valor mínimo.
Por lo tanto, se producen pocas muescas y el acabado de superficie es el mejor posible. Si se
compara con el fresado convencional, este fresado requiere más potencia y una maquina más
rígida.
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Figura 17. Fresado en contraposición
2.7.3 PARÁMETROS FUNDAMENTALES EN EL TRABAJO DE FRESADO
Los parámetros de corte esenciales a tener en cuenta para el proceso de torneado son:

Velocidad de avance (Va) por diente y total.

La profundidad de corte o pasada (Pp).

Anchura de corte.

Velocidad de corte (Vc).

Velocidad de giro de la herramienta (RPM).

Esfuerzos de corte.
La elección de los datos de corte de metal deben de coordinarse con:

El modo de fresado (convencional, en contraposición o frontal).

La forma de la fresa.

El tipo de perfiles de corte empleados (forma del filo de corte, material de corte).

La capacidad de carga de la máquina.
2.7.4. CALCULO DE RPM
Dónde:
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Vc = velocidad de corte
D = diámetro
Debido a que el material utilizado para maquinar la biela es aluminio se eligieron 3500 rpm para
el proceso de fresado, con este dato calcularemos los datos siguientes.
2.7.5. VELOCIDAD DE AVANCE EN EL FRESADO
El avance es el movimiento de la cuchilla en la dirección de trabajo. Igual en el caso del torno se
puede expresar de dos maneras diferentes en mm/rev o mm/min, pero en el caso de la fresadora
se tiene que tener en cuenta que el avance por revolución se refiere solo a un diente, por lo que se
tendrá que multiplicar dicho avance por el número de dientes.
2.7.6. VELOCIDAD DE AVANCE EN MM/MIN
Una vez conocido el valor de mm/rev de la herramienta y conocidas las RPM a que girara la
herramienta (tomando en cuenta el material que se maquinara), el cálculo de obtendrá con la
siguiente formula:
Siendo Nd = Numero de dientes de la fresa.
2.7.7. VELOCIDAD DE AVANCE EN MM/REV
Este formato, se utiliza fundamentalmente en series largas donde la experimentación en el
mecanizado está suficientemente contrastada.
La fórmula es la siguiente:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Se utilizaran dos cortadores uno de dos milímetros de diámetro y otro de cuatro milímetros de
diámetro, puesto que se realizara un proceso de desbaste seguido por uno de acabado utilizando
los cortadores ya mencionados, estos tendrán un numero de dientes igual a dos
2.7.8. PROFUNDIDAD O ANCHURA DE CORTE
Es la distancia que penetra la fresa en la pieza en la dirección del avance. La profundidad de corte
es un fresado con giro vertical. Anchura de corte es fresado con giro horizontal.
Los esfuerzos de corte de la fresa dependen de la anchura de la fijación de la herramienta con la
pieza medida en el plano de trabajo en ángulo recto a la dirección del avance.
Tanto la profundidad o anchura de corte como la fijación de la fresa provienen de:


El desplazamiento programado de la fresa.
Tamaño y forma de la fresa.
Cuando se programa el recorrido de la fresa en la pieza, es necesario coordinar profundidad y
anchura de corte, así como la fijación de la fresa:




Con la velocidad de mecanizado posible.
Con la fresa a utilizar.
El material a trabajar.
Con el acabado de superficie requerido.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 35
CAPÍTULO III
TOLERANCIAS
INTRODUCCIÓN
La manufactura de un elemento cualquiera nunca es perfecta, por lo tanto, existen inexactitudes,
una pequeña discrepancia entre la pieza “teórica” o “ideal”.
La tolerancia es la variación permisible de dimensiones claves de piezas mecánicas.
La posibilidad de fabricar, en serie, piezas de precisión con el objetivo de ser utilizadas, sin
trabajo previo, en la sustitución de las mismas ya desgastadas en un mecanismo, lejos o cerca del
sitio de fabricación se conoce como “Intercambiabilidad”.
El acoplamiento entre distintas piezas que conforman el mecanismo es conocido como
“Funcionabilidad”.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 36
El ideal sería la fabricación de piezas exactamente iguales, pero como se ha indicado, esto resulta
imposible de conseguir, por lo que se obliga a tolerar inexactitudes dimensionales, geométricas y
superficiales comprendidas entre límites admisibles.
3.1.
TOLERANCIAS DIMENSIONALES
Las tolerancias dimensionales fijan el límite superior y el límite inferior entre el que se debe
encontrar las dimensiones de una pieza, puede estar indicado en la propia cota o puede tratarse de
una tolerancia general.
Estos límites se pueden expresar de distintas formas, en lo posible se debe seguir un sistema
normalizado, aunque no es de extrañar, en muchos talleres o empresas pueden tener sistemas
propios y que son simplificaciones de la norma, para reducir las indicaciones y que todos los
operarios conocen, aunque no exento de provocar fallos. La norma ISO 286-1 hace distinción en
18 calidades o grados de tolerancia, las calidades IT0, IT1, IT2 e IT3 son piezas de alta precisión,
las calidades IT4 a IT11 son para pieza que ajusten y las calidades IT11 a IT16 son para piezas
sin ajustes y que no requieren acabado.

Dimensión nominal ( para ejes y
para agujeros): Es el valor teórico que expresa
el valor numérico de una longitud o un ángulo.

Dimensión efectiva (
fabricada.
para ejes y
para agujeros: Es el valor real de una pieza ya
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 37

Dimensión límite superior (
para ejes y
puede tomar la dimensión efectiva.
para agujeros): Valor máximo que

Dimensión límite inferior (
para ejes y
puede tomar la dimensión efectiva
para agujeros): Valor mínimo que

Diferencia fundamental: es la diferencia para situar o definir la zona de la tolerancia
respecto al valor nominal, según sea el caso para una diferencia superior se utilizara “es”
para ejes y “ES” para agujeros y para una diferencia inferior se utilizara “ei” para ejes y
“EI” para agujeros.

Tolerancia (it para ejes e IT para agujeros) : Es la variación máxima que puede tomar
la medida de una pieza o diferencia entre sus dimensiones limites

Posición de la zona de tolerancia: Defina la posición de la tolerancia respecto la línea
cero o dimensión nominal, se utilizaran letras minúsculas para los ejes y mayúsculas para
los agujeros.
A continuación se representa gráficamente las definiciones mencionadas anteriormente:
Figura 18. Nomenclatura de las tolerancias
Mediante símbolos ISO las tolerancias se representan de la siguiente manera:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 38
Figura 19. Valores para tolerancia
3.1.1. CALIDAD DE LA TOLERANCIA
La calidad es un conjunto de tolerancias, estas corresponden a un mismo grado de precisión para
cualquier tipo de diámetros, como se señaló anteriormente existen 18 calidades las cuales van
desde IT01 hasta IT16, si se requiere una alta calidad o precisión en la manufactura de una pieza,
menor será la tolerancia que esta tendrá. (En la tabla 1 del apéndice I se muestran los valores de
las amplitudes de estas tolerancias)
Un diseñador inexperto simplemente considerando las calidades de tolerancias estaría tentado a
utilizar calidades de tolerancias muy bajas, cercanas a IT1. Sugiriendo “cuanto más precisas sean
las pieza, mejores serán”, sin considerar que hay que fabricarlas, y por lo tanto conllevan un
costo. Se deben evitar todo exceso de precisión inútil, ya que significa un mayor gasto y número
de rechazos en la fabricación en serie, a continuación se mostrara una tabla donde se aprecia esta
relación.
Figura 20. Factor de coste respecto a la calidad de la tolerancia
3.1.2. POSICIÓN DE LA ZONA DE TOLERANCIA
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 39
DIFERENCIAS
NEGATIVAS
DIFERENCIAS
POSITIVAS
La norma ISO 286-1 define 28 zonas para ejes (letras minúsculas) y 28 para agujeros (letras
mayúsculas), estas se observan a continuación con respecto a la dimensión nominal.
DIFERENCIAS
NEGATIVAS
DIFERENCIAS
POSITIVAS
Figura 21. Posición de las zonas de tolerancia de agujeros
Figura 22. Posición de las zonas de tolerancia de ejes
La norma ISO 286 ofrece la diferencia superior y la inferior dependiendo de la zona de
tolerancia, estos valores se pueden observar en las tablas 2 y 3 en el apéndice I.
3.2.
AJUSTES
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 40
Los ajustes se definen como las relaciones entre los campos de tolerancia de las piezas que
acoplan, según esta relación puede ser: con apriete, indeterminado o con juego, a continuación se
menciona una breve explicación de estos tres tipos de ajustes.

Ajuste con apriete: cuando la dimensión del eje es mayor a la dimensión del agujero, por
lo cual se calcularan los aprietes máximos y mínimos.
Es el tipo de ajuste que asegura siempre un aprieto entre las piezas que componen el ajuste. La
zona de tolerancia del agujero está situada completamente por debajo de la zona de tolerancia del
eje.
Nomenclatura:
Am = Apriete Mínimo
AM = Apriete Máximo
Ajuste con juego o móvil: cuando la dimensión del eje es menor a la dimensión del agujero. Se
calcula el juego mínimo y el juegomáximo.
Nomenclatura
JM= Juego máximo
Jm=Juego mínimo
Ajuste indeterminado: cuando la dimensión de eje puede ser mayor o menor a la dimensión del
agujero, con cada pareja de piezas que ajusten puede ser un ajuste con apriete o con juego
indistintamente. Se calcula el juego máximo y el apriete máximo.
3.2.1 SISTEMAS ISO DE AJUSTES
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 41
En el sistema agujero base, el tamaño de diseño del agujero es el básico o nominal, y el margen
se aplica al eje; su tamaño básico es el tamaño mínimo del orificio.
En el sistema de eje base, el tamaño de diseño del eje es el básico, y el margen se aplica al
agujero; su tamaño básico es el tamaño básico del eje.
Para una mejor comprensión podemos observar la siguiente imagen:
Figura 23. Sistema de eje base y agujero base respectivamente
Ajustes recomendados y aplicaciones:
Tipo
Fino
Medio
Sistema de
agujero base
H7z8,z9,x8,u8
Sistema de
eje base
Z8, Z9, X7,
X8, U7-h6
H7-s6,r6
S7, R7-h6
H7-n6,m6
N7, M7-h6
H7-k6
K7-h6
H7-j6
J7-h6
H7-h6
H7-g6,f7
H7-h6
G7,F8-h6
H8-f7
H7-d9
H8-h9
E8-h6
D9-h6
H8-h9
montaje
aplicaciones
Prensado (transmitir
grandes fuerzas
mediante friccion)
Prensado (presiones
medias)
Cubos de engranajes, volantes de
inercia, bridas de ejes
Forzado duro(ajuste
fijo)
Forzado medio (ajuste
con adherencia con
martillo)
Forzado ligero (ajuste
ligero)
Deslizante
Móvil con juego
apreciable
Móvil holgado
Móvil muy holgado
Deslizante (piezas sin
esfuerzos)
Coronas de bronce en cubos de
fundición, cojinete sobre carcasa,
ajustes indeterminados con chavetas
Inducidos de motor eléctrico, aros de
rodamiento con carga circunferencial
Volantes
Poleas desmontables, manivelas,
casquillos
Aros de rodamientos
Engranajes deslizantes, cojinetes guias
Ejes de varios apoyos
Máquinas agrícolas
Anillos de ajuste, poleas fijas
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 42
Basto
H8-e8
H8-d9
F8-h9
D10-h9
Móvil
Holgado
Cojinetes lubricados, embolos
Cojinetes
H11-h11,h9
H11-h11,h9
Piezas de maquinarias sujetas por
tornillos, bisagras
H11-d11
D11-h11
Deslizante (juego
pequeño y gran
tolerancia)
Móvil
H11-c11,b11
C11,B11h11
A11-h11
Holgado (juego amplio
y gran tolerancia)
Muy holgado
H11-a11
Palancas desmontables, ejes de giro,
apoyos para rodillos
Varillas de mando, piezas giratorias
Ejes de acoplamientos de
locomotoras, piezas de suspensión,
cojinetes lubricados.
3.2.2. INDICACIONES PARA LA ELECCIÓN DEL AJUSTE




La menor precisión posible, tolerancias tan amplias como permita el correcto
funcionamiento.
La calidad del eje debe ser uno o dos grados inferior a la calidad del agujero, por coste de
fabricación.
Manejar el sistema de eje base o agujero base para todos los ajustes.
Tomar en cuenta que los ajustes con aprietes grandes complican el montaje y la
sustitución al requerir elementos auxiliares.
3.3. SELECCIÓN Y CALCULO DE TOLERANCIAS, AJUSTES Y JUEGOS
A continuación se muestran los cálculos necesarios para la obtención de las tolerancias de una
biela con la designación propuesta; se manejara el sistema de agujero base ya que con este
sistema el eje tiene posiciones variables y así conseguir diferentes dimensiones de tal manera que
los ajustes combinen a nuestra conveniencia.
3.3.1 PIE DE BIELA
Para el pie de biela se utilizara una tolerancia de H8/f7 por lo que se tendrá un ajuste con juego
en esta sección de la biela para el aseguramiento correcto del engrase entre las piezas móviles que
se encuentran en contacto directo:
Sistema de agujero base.
Diámetro del Pie de biela = 24 H8/f7
Primero que nada identificaremos los conocidos:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 43
El diámetro nominal el cual es de 24 mm y las tolerancias tanto para el eje como para el agujero
(las tolerancias IT e it del agujero y eje respectivamente son obtenidas a partir de la tabla 1 en el
apéndice I).
Los datos que se expresan en la parte inferior son extractos de las tablas antes mencionadas que
nos proporcionan la información correspondiente:
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
DIAMETROS
18
30
DIAMETROS
18
30
IT7
21
IT8
33
EJE
AGUJERO
Datos obtenidos de la Tabla 1
Datos obtenidos de la Tabla 1
dN = 24 mm
DN= 24 mm
it = 21
IT
=
33
Nota: Debe recordarse que los valores que se observan en estas figuras se encuentran en micras
de mm.
Posteriormente con ayuda de las tablas 2 y 3 del apéndice I se buscaran los valores de las
diferencias
superiores
e
inferiores
para
el
eje
y
el
agujero:
AGUJERO
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
es
18
30
-20
ei
-41
f7
EJE
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
ES
18
30
+33
H8
EI
Datos obtenidos de la Tabla 2
0
Datos obtenidos de la Tabla 3
ES = 33 = 0.033 mm
es= -20 = -0.020 mm
EI = 0
ei = -41 = -0.041 mm
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 44
El siguiente paso es el cálculo de las dimensiones máximas y mínima como se observa:
EJE
AGUJERO
dM = 24 – 0.021 = 23.98 mm
DM = 24 + 0.033 = 24.033 mm
dm = 24 – 0.041 = 23.959 mm
Dm = 24 mm
Conseguida esta información, ya que las piezas montadas tendrán un juego y no un apriete o un
ajuste indeterminado se calculara los juegos máximos y mínimos con las formulas indicadas en el
subcapítulo “Ajustes”.
Las imágenes mostradas a continuación representan los juegos máximos y mínimos entre el pie
de biela y su cojinete:
Juego máximo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 45
Figura 24. Vista frontal y sección A-A de la biela con juego máximo
Figura 25. Isométrico y detalle B de la biela con juego máximo
Juego mínimo:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 46
Figura 26. Vista frontal y sección A-A de la biela con juego mínimo
Figura 27. Isométrico y detalle B de la biela con juego mínimo
3.3.2 CABEZA DE BIELA
La misma designación será empleada en esta parte de la biela, aquellos datos tales como
tolerancias y desviaciones del eje y el agujero son extraídos de las tablas 1, 2 y 3 del apéndice I.
Recopilación de los valores de it para el eje:
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
DIAMETROS
50
80
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 47
30
IT7
Datos obtenidos de la Tabla 1
Y agujero:
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
50
80
46
DIAMETROS
IT8
Datos obtenidos de la Tabla 1
Diferencias superiores e inferiores para el eje y el agujero:
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
es
18
30
-30
ES
50
80
+46
EI
0
H8
f7
-60
ei
Datos obtenidos de la Tabla 3
Datos obtenidos de la Tabla 2
Diámetro de la cabeza de la biela = 60 H8/f7
EJE
AGUJERO
dN = 60 mm
DN= 60 mm
IT = 30
IT = 46
es= -30 = -0.03 mm
ES = 46= 0.046 mm
ei = -60 = -0.06 mm
EI = 0
Calculo de las dimensiones máximas y mínimas:
EJE
AGUJERO
dM = 60 – 0.03 = 59.97 mm
DM = 60 + 0.046 = 60.046 mm
dm = 60 – 0.06 = 59.94 mm
Dm = 60 mm
Puesto que la tolerancia en ambos orificios (cabeza y pie de biela) es la misma los juegos se
obtendrán de igual modo:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 48
Dibujos representativos de la cabeza de la biela con el cojinete del muñón del cigüeñal, las cuales
muestran secciones y distintas vistas de la biela, mostrando el juego mínimo y máximo que puede
haber entre estos de acuerdo al análisis anterior.
Juego máximo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 49
Figura 28. Vista frontal, sección A-A y corte B-B con juego máximo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 50
Figura 29. Isométrico y detalle C de la biela con juego máximo
Juego mínimo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 51
Figura 30. Vista frontal y sección A-A y corte B-B con juego mínimo
Figura 31. Isométrico y detalle C de la biela con juego mínimo
3.3.3 HOLGURA
Las holguras de ciertos componentes que interactúan entre si deben conocerse debido a que si no
son las adecuadas pueden existir daños, en este caso, en las diferentes partes de la biela (aunque
la mayor parte de los daños en bielas son por fracturas por fatiga) que entran en contacto con los
cojinetes, o con el buje, por ejemplo un huelgo para aceite insuficiente en los cojinetes puede
causar que él estos se dañen por el desgaste excesivo de la superficie de rozamiento.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 52
Figura 32. Bulón dañado
En la imagen se muestra un bulón en el cual se observan colores azules por el aumento excesivo
de la temperatura debido a que la suspensión del buje se ha calentado por una holgura
insuficiente.
Debido a que el cojinete entrara con un ajuste por interferencia se necesitara calcularlo con el
mismo procedimiento ya expuesto.
Diámetro del Cojinete = 22.2 H7/p6
Tablas de tolerancias para ejes y agujeros respectivamente:
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
18
30
13
IT6
Información obtenida de la Tabla 1
DIAMETROS
DIAMETROS
IT7
Información obtenida de la Tabla 1
18
30
21
Diferencias superior e inferior:
EJE
AGUJERO
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
18
30
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 53
DIMENSIONES NOMINALES (mm)
ES
+21
18
30
+35
es
f7
H8
+22
ei
Información obtenida de la Tabla 2
0
EI
Información obtenida de la Tabla 3
dN = 22.2 mm
DN = 22.2 mm
it = 13
IT = 21
es= 35 = 0.035mm
ES = 21= 0.021 mm
ei = 22 = 0.022 mm
EI = 0
dM = 22.2 +0.035 = 22.235 mm
DM = 22.2 + 0.021 = 22.221 mm
dm = 22.2 + 0.022 = 22.222 mm
Dm = 22.2 mm
Imágenes representativas de los aprietes máximos y mínimos entre el bulón y el cojinete del pie de biela:
Apriete máximo:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 54
Figura 33. Vista frontal, sección A-A de la biela y corte C-C con apriete máximo
Figura 34. Isométrico y detalle B de la biela con apriete máximo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
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Apriete mínimo:
Figura 35. Vista frontal, sección A-A y corte C-C con apriete mínimo
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 56
Figura 36. Isométrico y detalle B de la biela con apriete mínimo
Para el cálculo de las holguras se utilizó la siguiente formula:
Los datos necesarios ya han sido anteriormente deducidos y por lo tanto se puede resumir las
holguras de la siguiente manera:
Entre pie de biela y cojinete:
Entre cojinete y bulón:
Entre Cabeza de biela y cojinete:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 57
CAPÍTULO IV
DISEÑO GEOMETRICO EN CATIA
INTRODUCCION
En la actualidad, la utilización de un software en actividades de requerimiento técnico es algo
habitual entre los profesionales de las distintas áreas de ingeniería. Esto se debe a las
características que poseen los programas ya que pueden simular ciertas características las cuales
permiten dar resultados rápidos y efectivos a los problemas de diseño como por ejemplo:
simulación de conjuntos mecánicos, sistemas de circuitos, fabricación, entre muchos otros.
La utilización de estos programas permite diseñar y simular tantas veces como sea necesario sin
necesidad de construir un prototipo, reduciendo considerablemente los costes de producción.
Algunos ejemplos de estos programas pueden ser:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 58
·
·
·
·
·
·
·
·
·
NX.
CATIA.
AutoCad.
PROENGINEER.
SOLID WORKS.
SOLID EDGE.
MASTERCAM.
CIMCO.
ANSYS
Este tipo de programas se desarrollaron para proporcionar apoyo a la concepción de productos, ya
sea a través del diseño (CAD), producción (CAM), análisis (CAE) u otras herramientas según el
programa. Estos programas ofrecen múltiples posibilidades de trabajo, abarcando casi todas las
necesidades que pueden surgir en el campo del diseño, la ingeniería y el diseño de sistemas de
producción; ensamblajes, diseño de superficies, tuberías, análisis de estructuras, componentes
electrónicos, diseño de moldes, análisis de esfuerzos y deformaciones, manufactura ya se en una
fresadora o en un torno, etc.
En este proyecto en particular se va a utilizar el programa de diseño y simulación asistido por
computadora llamado CATIA para poder realizar el modelo en 3D de la biela, sus cojinetes, el
bulón y el pistón.
4.1.
ESTRATEGIAS DE MODELADO
Los sistemas de diseño asistido por computadora avanzados como CATIA y Solidworks, emplean
modos de trabajo que se han generalizado en programas de menor nivel
a) Se trabaja por características sobre cada pieza del ensamble, el grado de relación entre
parámetros de una misma pieza o entre piezas distintas lo fija el diseñador según sus
necesidades en función de las características del ensamble.
b) Las piezas se cargan en un módulo de ensamble para acomodarlas de modo muy
similar a como se haría en la realidad, en dicho modulo se puede verificar la existencia
de interferencias entre piezas y el funcionamiento del ensamble. Además pueden
editarse los componentes, lo que permite definirlas dentro del ensamble si fuera
necesario
c) Paralelamente, o según dicten las necesidades del modelo, es posible realizar los
análisis que la pieza requiera ya que algunos paquees de diseño incluyen sus propios
módulos de análisis en CAM (Manufactura Asistida por Computadora) y
CAE,(Ingeniería Asistida por Computadora)
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 59
d) Cuando el diseño de las piezas es definitivo, se generan los planos de cada pieza y los
sub-ensambles requeridos, en un módulo específico para este trabajo.
e) Como Utilidad completamente, muchos sistemas incluyen herramientas orientadas a la
presentación realista de los productos y su animación.
Los paquetes avanzados de diseño asistido por computadora y el máximo aprovechamiento de la
tecnología paramétrica y variación proporcionan al diseñador una gran flexibilidad al momento
de plantear su trabajo frente a la computadora por lo tanto es posible modelar una pieza sin
conocer de un modo exacto sus dimensiones ni sus características definitivas. La posibilidad de
establecer ciertas relaciones geométricas entre elementos del modelo asegura el diseñador que las
condiciones de diseño se van a cumplir aunque se varíen los parámetros de la pieza. Por ejemplo,
en una operación de matriz circular se puede establecer que la separación angular entre las copias
sea siempre el ángulo total barrido dividido entre el número de copia, de manera que aunque se
varié, ya sea el ángulo o el número de copias, estas serán siempre equidistantes, además se puede
forzar que dos o más agujeros tengan el mismo radio y establecer relaciones a través de fórmulas
en las que las variables pueden ser las propias medidas.
Esto brinda el diseñador un gran control sobre su diseño, y lo libera en cierto modo de tener que
definir numéricamente todos los parámetros, pero cuando no es posible fijar este tipo de
restricciones, es preferible acotar el modelo, aunque sean cotas aproximadas, para asegurar la
estabilidad del mismo. Además es necesario tener en cuenta las dependencias que se crean una
geometría a partir de otra.
4.2.
DESARROLLO DEL DISEÑO
A continuación se explicara paso a paso el modelado de la biela y de los demás componentes en
este software:
Lo que se debe hacer primero es formar un “Sketch” para poder crear nuestra primera figura
geometría que comprenderá la pieza completa. Se debe elegir un plano en el cual se va a trabajar,
se elegirá en este caso el plano “XY”, este se puede elegir desde el árbol de trabajo o en los
recuadros que aparecen en el centro del programa. Como se muestra en la siguiente imagen
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 60
Figura 37. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Una vez elegido el plano escogeremos el icono de “Sketch”
ya dentro realizaremos la
siguiente geometría, con las restricciones correspondientes para que nuestra pieza no se altere si
por error jalamos una de las líneas de las que está compuesto, esto se puede realizar con la opción
de “Constrain” , el cual tendremos que seleccionar la función y las línea que queramos que no
se muevan, además de que es mucho más fácil manipular la distancia de la línea con esta función,
dándole doble clic sobre la cota que realicemos.
Figura 38. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 61
Cuando hayamos terminado la figura nos saldremos del “Sketch” con este icono
.
El siguiente paso es hacer un sólido, y eso se lograra con la función de “Pad” , el cual realizara
lo siguiente a nuestra geometría ya antes hecha. La distancia que le pondremos solo será la mitad
de la medida real, porque más adelante se realizara otra función para completar nuestra pieza.
Figura 39. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Para que no afecte a nuestra pieza más adelante se, tendrá que quitar algo de material de la parte
de la cabeza de biela, para esto necesitamos crear un nuevo “Sketch” en el mismo plano del que
hicimos el primero, y crearemos un triángulo, no es necesario que el radio coincida con el que ya
hicimos, solo es necesario conservar el ángulo que es de 60°
Figura 40. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 62
Enseguida nos salimos del “Sketch”, y para poder remover el material utilizaremos la función de
“Pocket” , y donde nos pide la profundidad será de 4.5mm (teniendo en cuenta que en algunos
casos la el sentido será negativo), quedando de la siguiente manera:
Figura 41. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Figura 42. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Para crear el cuerpo de la biela necesitamos trabajar de forma perpendicular a la pieza, de tal
forma que nos permita crear el siguiente “Sketch”. Y se volvera a utilizar la herramienta de
“Pocket”.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 63
Figura 43. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Para crear el pie de la biela en donde esta va esamblada con el cojinete, el bulon , y a su vez con
el piston, crearemos un “Sketch”, en el mismo plano XY, se hara un circulo a las distancias y
tamaño que ya se propusieron, debiendo quedar de la siguiente manera.
Figura 44. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Después con la herramienta “Pad” se le dará el volumen requerido.
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 64
Para que no queden los bordes filosos se recomienda hacer un “Edge Fillet” , en el cual nos
pedirá el radio de los bordes una vez seleccionado la parte deseada, que serán de 3mm.
Figura 45. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Para la parte de la cabeza de la biela se repite el mismo procedimiento ya antes mencionado.
Figura 46. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Quedando de la siguiente manera
Figura 47. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
En la biela se necesita un pequeño aligeramiento de material, pero sin que pierda la confiabilidad
de realizar el trabajo, para ello se realizara la siguiente geometria en la parte del cuerpo de la
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 65
biela. En las bielas no siempre es la misma figura, todo depende del analisis estructural que se le
haga a la pieza y del diseñador.
Figura 48. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Y aplicando el comando de “Pocket” queda como se muestra en la siguiente figura:
Figura 49. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
El siguiente paso es hacer los agujeros del tamaño que ya se mencionaron en la parte de
tolerancias, para esto puede utilizarse un comando llamado “Hole”
, al cual tendremos que
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 66
especificar el centro de donde se quiere hacer el barreno, ademas de darle el diametro del agujero
que para este caso sera de 60mm en la parte de la cabeza de la biela y 24mm para el pie de biela,
a la distancia ya antes establecida.
O simplemente realizar un “Sketch” en el cual realizaremos los barrenos y despues usando la
herramienta “Pocket” eliminar este material.
Figura 50. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Quedando como resultado de la siguiente manera:
Figura 51. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Y por ultimo para tener la biela completa, se ocupara el comando de “Mirror” en donde
tendremos que seleccionar todo lo que realizamos desde nuestro arbol de trabajo, y elijiendo el
plano correspondiente para que quede nuestra pieza final como se muestra a continuacion:
“Manufactura de una biela de un motor de uso aeronáutico”
Página 67
Figura 52. Desarrollo del diseño de la biela en CATIA
Posteriormente en el módulo Drafting realizaremos los planos correspondientes.
El archivo finalmente se guardara no con la extensión que automáticamente nos da el programa
CATIA, ya que necesitamos exportarlo posteriormente, por lo que se guardara con la extensión
.dwg
4.3. DIBUJO A DETALLE EN 2D
En los paquetes de diseño actuales, el manejo de planos de trabajo es fundamental ya que todas
las operaciones que añaden o quitan material a la pieza se basan en dibujos, los cuales se realizan
ya sea sobre caras planas de la pieza o bien sobre planos generados para tal efecto. Por lo general,
al iniciar al diseño de una nueva pieza, el software presenta 3 planos principales por default, (XY,
XZ, YZ). Esto permite definir un plano inicial sobre el que se dibujara e primer contorno que
genere la operación base.
Posteriormente se pueden emplear como planos de trabajo las caras planas de la geometría
tridimensional generada, además es posible crear planos auxiliares para dibujar sketch (bosquejo)
en lugares donde no existe aún geometría. Desde el momento que se selecciona un plano de
trabajo, ya sea una cara de la pieza o un plano auxiliar, el programa entiende que se va a iniciar
un trabajo en dos dimensiones, y generalmente aparecen activas las herramientas necesarias.
En la siguiente imagen se muestra el dibujo a detalle que se obtuvo.
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CAPÍTULO V
SIMULACIÓN DEL FRESADO EN
MASTERCAM
INTRODUCCION
Las maquinas herramientas de control numérico son equipos de 2 a 6 ejes de movimiento, de 2 a
3 ejes para tornos y 3 a 6 ejes para fresadoras o centros de maquinado como se muestra en la
figura. Cada eje de movimiento tiene un direccionamiento variable el cual consiste de un motor
de reacción rápida así como de un tornillo de bolas de alta precisión. Las maquinas CNC siguen
una trayectoria en el sistema de medición para cada movimiento controlado de algún eje, esto,
con la finalidad de monitorear y registrar los valores de la posición actual de la herramienta. El
sistema de medición tiene en cada eje de transductor lineal óptico, el cual consiste de una escala
fotoeléctrica y un lector óptico, la escala consiste en marcas de claros y obscuros para que el
lector pueda dividir la longitud recorrida en partes iguales y enviar la señal de salida al motor
correspondiente.
Cuando la maquina realiza algún movimiento, cada trayectoria que pasa el lector óptico es
convertida en una señal eléctrica la cual es contada por el panel de control, y la suma de todos los
incrementos, son la trayectoria total recorrida. La condición previa para un correcto
funcionamiento de esta forma de desplazamiento, es que la maquina debe ser enviada después del
encendido del panel de controlar cero máquina, el cual es un punto conocido por esta. Este punto
está ubicado en el límite del área de trabajo de la maquina yes llamado punto de referencia.
Los elementos básicos del control numérico son:
1) El programa, que contiene toda la información de las acciones a ejecutar.
2) El panel de control, que interpreta estas instrucciones, las convierte en las señales
correspondientes para los órganos de accionamiento de la máquina y comprueba los
resultados.
3) La máquina, que ejecuta las operaciones previstas.
Existen dos tipos de programación, la programación manual y la programación automática, en la
primera se deben introducir los códigos de forma manual y en la segunda el programa es
elaborado por una computadora, la cual entrega un listado de códigos como los que se muestran
en el anexo C.
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5.1 DESARROLLO EN MASTERCAM
Se diseñan partes geométricas (CAD) para producir en ellas trayectorias de herramientas (CAM)
y con ellas generar un código CNC para fabricar piezas en una máquina controlada por una
computadora.
El controlador de una máquina CNC es una computadora que controla la operación de la misma.
Esto es: Analiza el código de máquina y lo convierte en información en forma de señales
eléctricas que coordinan los motores de la máquina CNC.
Mastercam ofrece tres módulos para diferentes tipos de operaciones:
1) Mastercam Design.- Para el diseño de las piezas. Mastercam Lathe.- Para trayectorias de
operaciones de torno. Mastercam Mill.- Para trayectorias de operaciones de maquinado.
2) Para iniciar el proceso es necesario producir la geometría de la pieza a producir, para esto
se puede utilizar el módulo de diseño de Mastercam o cualquier software de CAD.
3) Podemos diseñar la pieza a fabricar en cualquier paquete de diseño; para luego exportar el
dibujo con extensión *.DXF o *.DWG y *.SAT (si el dibujo incluye sólidos) y trabajar
con él en Mastercam.
Una vez creada la geometría, es necesario analizarla para ver que modificaciones se necesitan
hacer antes de crear las trayectorias del cortador. Esto es verificar las especificaciones de la
geometría antes de hacer las trayectorias.
Para crear las trayectorias del cortador, es necesario especificar las líneas que serán usadas para
cada proceso de maquinado, para poder ver los movimientos del cortador en la pantalla de la
computadora. Estas líneas son unidas para formar un perfil continuo en el cual su área alrededor
será maquinada. Mientras se definen estas trayectorias se pueden definir muchas variables de
maquinado dependiendo del tipo del proceso deseado.
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Figura 53. Pieza insertada en Mastercam
La computadora necesita información sobre el tamaño y forma del cortador, que tan rápido debe
cortar, velocidad de giro etc. Todos estos datos son introducidos manualmente por el
programador en la pantalla de parámetros, una vez dada de alta esta información la computadora
genera las trayectorias del cortador, que son líneas y arcos en la pantalla que muestran por donde
viaja el cortador.
En Mastercam la trayectoria del cortador tiene la extensión *.NCI
Antes que la máquina de control numérico pueda usar el vector información NCI, éste tiene que
ser convertido al mismo lenguaje que la máquina CNC. En Mastercam esta conversión es
efectuada por un postprocesador que se encarga de leer la información almacenada en al archivo
*.NCI y escribe un nuevo archivo con el código CNC completo.
Este archivo con el código CNC tiene una extensión *.NC. Este archivo estará listo para ser
enviado al controlador de la máquina de manufactura. El postprocesador no cambia el archivo
*.NCI. Ya una vez modelada la pieza en CATIA, y de haberla guardado con la extensión “.dwg”
(como se menciona en la introducción de este mismo capítulo), se exportara el documento a
Mastercam y así poder crear las trayectorias de corte para la fresadora. Es muy importante
conocer algunos de los tipos de formato que Mastercam puede soportar pero así como la forma de
la pieza y poder elegir el mejor tipo de operaciones para nuestra pieza.
5.1.1. VENTAJAS DE CONTROL NUMÉRICO
¿Cuáles son las principales ventajas del control numérico?
Es importante saber qué áreas de mecanizado se beneficiarán de ellas y que se hace mejor a la
manera convencional.
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Algunas de las principales áreas en las que el usuario CNC puede y debe esperar mejoras:
Reducción del tiempo de instalación
Liderar la reducción del tiempo
Precisión y repetitividad
Contorno de formas complejas
El tiempo de corte constante
Aumento general de la productividad
Cada zona ofrece sólo una mejora potencial. Los usuarios individuales podrán experimentar
diferentes niveles de mejora real, en función de los productos fabricados en el lugar, la máquina
CNC utilizada, los métodos de configuración, la calidad de las herramientas, la filosofía de
gestión y el diseño de ingeniería, nivel de experiencia de la fuerza de trabajo, individuales de
corte actitudes, etc.
5.2. AJUSTES DE MAQUINA (offset)
Una vez conocido los puntos de referencia o coordenadas 0 de cada máquina, es necesario que
nuestras herramientas de corte se alineen a estos puntos; como cada herramienta que se utilizara
para el maquinado tiene una forma, y por tanto una medida distinta; para poder tener acabados
precisos, es necesario tomar en consideración las medidas de cada herramienta.
Para nuestro caso, primero se colocara una pieza ya desbastada con medidas anteriormente
mencionadas en una maquina fresadora CNC, se sugiere sujetar esta pieza por un sistema de
vacío, después de haber realizado esto colocaremos un palpador para colocar el cero pieza, con
esto hecho, anotaremos las coordenadas de ciertos puntos que tomaremos como referencia (estos
puntos serán las esquinas de la pieza), los cuales la maquina CNC nos proporcionara,
posteriormente se correrá el programa ya verificado para que se maquine la primera mitad de la
biela, esta operación tomara cierto tiempo y se tendrá que esperar hasta que finalmente el
programa haya terminado, a continuación se volteara la pieza y con el mismo palpador con el
que se obtuvieron los primeros datos, la pieza cuidadosamente se colocara en las coordenadas
anotadas previamente, para poder maquinar la segunda mitad de la biela.
Una vez maquinada totalmente la biela tendrá que realizar un bruñido el cual es un proceso de
acabado con el objetivo de elevar la precisión y calidad superficial de una pieza mediante una
fricción continua ente las superficies de la pieza de contacto y la piedra de bruñir.
Este proceso debe de cumplir ciertas condiciones como son; el existir un buen acabado
superficial en la superficie pre maquinada de la pieza a tratar y utilizar fluidos que actúen como
refrigerante, para poder permitir la transferencia de calor generado.
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Figura 54. Herramienta para bruñido
Posición del cortador:
Otro punto que debe ser ajustado en el control de las maquinas es, la posición del cortador o
inserto de la herramienta, esta posición se debe de dar de alta según la operación de maquinado
que se vaya a hacer, este dato lo proporciona el fabricante de la máquina para ello se examina la
posición que tiene el inserto en la herramienta y se compara con la tabla que nos proporciona el
fabricante.
Para el caso de la fresadora:
Como pude suponerse, la única cota para ajustar es el cero de la herramienta a la punta de la
herramienta. Es tan solo la longitud (eje Z), y, para efectos de maquinado, importa también el
diámetro del cortador.
Figua 55. Posicion del cortador
5.3. MOVIMIENTOS DE LAS HERRAMIENTAS
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Los movimientos de ejecución del programa son realizados por la herramienta o por la pieza de
trabajo dependiendo de la estructura física de la máquina, para la programación en CNC es
independiente si la herramienta o la pieza de trabajo realizan el movimiento, ya que el sistema de
coordenadas se refiere a la pieza de trabajo, esto significa que el programador asume que la pieza
de trabajo esta fija y únicamente se mueve la herramienta según la norma DIN 66217.
Figura 56. Movimientos de la maquina
Los desplazamientos de la pieza o dela herramienta están limitados por la carrera máxima década
uno de los ejes ya que dentro del volumen de trabajo se debe considerar el montaje de la pieza así
como la longitud de las herramientas a utilizar en el maquinado, con estas observaciones se
define el principio de movimiento de las maquinas herramienta en base al sistema coordenado de
la piza de trabajo el cual se considera fijo. Los movimientos de la herramienta se realizan en
direcciones positivas o negativas de acuerdo al sistema de coordenadas seleccionado para los ejes
X, Y o Z, la dirección de movimiento de las guías de la maquina debe ser ignorado en la
programación ya que mientras la mesa se mueve en un sentido, la herramienta va en sentido
contrario, considerando que lo que se mueve es la mesa, no siendo así en el movimiento de algún
otro eje, ya que para Z y Y, lo que se mueve es la herramienta.
Para el posicionado de la herramienta se utilizan dos sistemas:
 lazo cerrado
 lazo abierto
En el sistema de lazo cerrado, un servomecanismo de posición compara en todo momento la
posición real con la posición ordenada y actúa en función de la diferencia entre ambas. En
general, el lazo de posición se complementa con un lazo de control de velocidad para conseguir
un posicionado preciso. El sistema de desaceleración puede ser por etapas o continuo, y
proporciona movimientos más rápidos.
En el sistema de lazo abierto, un motor paso a paso, alimentado por un tren de impulsos, fija la
posición por el número de impulsos o pasos, y su velocidad por la frecuencia de los mismos. No
existe información sobre la posición real alcanzada por la herramienta.
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5.4. PROGRAMACIÓN
Códigos
Para fines de programación, el código es la cual unidad básica de programación; el código,
seguido del dato, forma un bloque; varios bloques juntes forman una línea, y varias líneas forman
un programa.
Código G
Los códigos G están vinculados al control; casi siempre encierra instrucciones de cálculo
matemático y control de motores; compensaciones, cambios de velocidad
Código M
Los códigos M están vinculados s las funciones de la maquina; es decir, más concernientes al
PLC que al control. Como se mencionó antes, la función de los códigos M son referentes a
encender/apagar funciones auxiliares e iniciar rutinas de mayor complejidad que después pasan a
ser del dominio de los códigos G (para girar el husillo se arranca con un código M3, pero el
control de velocidad durante su uso, es por medio de un código G)
Movimientos de la torreta
Como se vio anteriormente existen dos tipos de movimientos, el interpolado y el no interpolado.
EL movimiento no interpolado consiste en enviar cada uno de los ejes a su nuevo punto de modo
independiente, es decir, el movimiento horizontal no se sincroniza con el vertical, ni el vertical se
sincroniza con el horizontal.
El movimiento interpolado resulta más complejo pues la finalidad es que ambos motores lleguen
al punto final al mismo tiempo; dicho de otro modo, el punto se moverá en un ángulo apropiado
para trazar una línea recta a su siguiente punto; bajo este modo se pueden trazar circunferencias
coordinando el movimiento de los motores en base a leyes trigonométricas simples.
G00 Posicionamiento rápido sin corte.
Este código debe ir seguido de al menos una X, Y o Z, indicando la cota final a la que se quiere
llegar, por ejemplo en el caso del torno, G00 X10, Z-12; y la herramienta se posicionara en la
coordenada especificada (en este caso en X=10mm y Z=12mm). El movimiento que este
comando produce es interpolado, es decir, cada eje se desplazara simultáneamente con el otro
trazado un ángulo para llegar al punto especificado. Si se requiere hacer un movimiento no
interpolado se debe de escribir de la siguiente forma:
Para el caso de la fresadora se deben poner los tres puntos finales ejemplo:
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G00 Z5 X20 Y30; programación de un movimiento interpolado, es decir que los que los motores
de los ejes se moverán simultáneamente hasta llegar a la coordenada programada.
G00 Z5 Programación de un movimiento no interpolado, el motor de cada
X20 eje comenzara a moverse, hasta que el motor anterior llegue al
Y30 punto específico.
G01 Interpolación linear (Recorrido de mecanizado)
Al igual que el código anterior, esta debe ir seguido de al menos una X, Y o una Z, también debe
ir seguido de una F que indicara el avance de la herramienta en milímetros por revolución, como
su nombre es un movimiento interpolado lo que implica que al siguiente punto siempre sera recta,
por ejemplo:
G01 X12 F0.25;
Z-15
La herramienta se desplazara hasta X=12, y después se desplazara a Z=15ª una velocidad de 0.25
por revolución del husillo.
G01 x12 Z-15 F0.25
En este ejemplo la trayectoria sería una diagonal, debido a que se escribe en la misma línea los
dos puntos de destino. Es importante no confundir cuando hablamos de una interpolación lineal
(trayectoria que se dibuja sobre la superficie mecanizada) con simplemente una interpolación o
una no interpolación (desplazamiento de los ejes).
Para la fresadora
G01 Z-5 F500
X40 Y20.1
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G02 Interpolación Circular Horaria.
Este código sirve para trazar arcos en sentido horario. Aquí si debe incluirse en la misma línea X,
Z, y CR indicando el valor del radio, en el caso del torno X, Y, Z, R para indicar el valor del
radio, estas coordenadas tienen que ser el punto final del arco, se entiende que la coordenada
anterior es el primer punto del arco.
Es decir, estando en el punto X12 Z-15. Y usando la instrucción G02 X14 Z-17 CR=3; la
herramienta trazara un arco del punto X12, Z-15 a X14, Z-17. Con un radio de 3 milímetros.
Fresadora
G02 X40 Y20.1 R36
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G03 Interpolación Circular Anti horario.
Este código sirve para trazar arcos en sentido anti horario. Nuevamente deben incluirse los
mismos caracteres que el caso anterior por ejemplo:
Usando X12, Z-15 como punto inicial. Y usando la instrucción G03 X14, Z-17, R3 F1.5; la
herramienta trazara un arco anti horario del punto X12, Z-15 al X14, Z!/. Con un radio de 3mm a
una velocidad de 1.5mm por revolución del husillo.
En el caso del torno s indica el valor del radio del círculo de indica con CR=+-, el signo indica si
el arco del círculo es mayor o menor de 180° esto es:
CR=+ángulo menor o igual a 180°
CR=-ángulo mayor a 180°
Para el caso de la fresadora el arco del círculo se indica con R
G03 X40 Y20 R36
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5.5 OBTENCION DEL CÓDIGO “G”
Una vez que la verificación cumple con los requisitos de diseño de la cavidad se debe obtener el
programa para maquinado utilizando el postprocesador previamente diseñado y adaptado a la
maquina a utilizar, dentro de Mastercam todos los postprocesadores utilizan una extensión .PST
los cuales son listados una vez que se selecciona la opción de “Post proc”, posteriormente
elegimos el postprocesador adecuado, durante el proceso obtenemos dos tipos de archivos, el
primero el CL data o de posición de cortador y el segundo es el programa de control numérico.
Para lo obtención de un código G, el cual pueda ser interpretado por una maquina debe tener en
cuenta algunos comandos básicos dentro del software de Mastercam y cualquier otro tipo de
software CAM. Se tiene que tener mucho cuidado en que plano se está trabajando, así como saber
el origen de donde empezara a cortar la herramienta. Algunos comandos para seleccionar
correctamente los planos son los siguientes:



G17 Selección del plano XY.
G18 Selección plano ZX.
G19 Selección del plano YZ.
Para todos los movimientos rápidos y los movimientos lineales, el comando de selección del
plano es totalmente irrelevante e incluso redundante. Ese no es el caso para otros modos de
movimiento, donde la selección de los planos en un programa es extremadamente importante y
debe ser considerado cuidadosamente.
Para el contorno o el perfil es uno de los comandos más comunes para la aplicación de CNC, tal
vez junto con la de agujero. Durante el contorno, el movimiento de la herramienta se programa en
al menos tres maneras diferentes:



Movimiento de la herramienta a lo largo de un eje único.
Movimiento de la herramienta a lo largo de dos ejes a la vez.
Movimiento de la herramienta a lo largo de tres ejes simultáneamente.
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Figura 57. Trayectorias de corte en Mastercam
Hay movimientos de ejes adicionales que también se pueden aplicar, pero en un centro de
maquinado CNC, casi siempre trabajan con un mínimo de tres ejes, aunque no siempre de forma
simultánea. Esto refleja la realidad tridimensional de nuestro mundo.
Cualquier punto absoluto en el programa se define por tres coordenadas, que se especifican en los
ejes X, Y y Z. Un movimiento rápido programado G00 o G01 un movimiento lineal, pueden
utilizar cualquier número de ejes a la vez, siempre y cuando el movimiento de la herramienta
resultante sea segura dentro de la zona de trabajo. No se requieren consideraciones especiales, ni
una programación especial para este tipo de comandos.
CAPÍTULO VI
SUJECION Y REFERENCIADO
6.1
INSTRUMENTOS DE MEDICION
Los instrumentos más empleados en la verificación de piezas son:


Instrumentos de medida directa: Reglas, pie de rey, micrómetros, gramiles, máquinas
medidoras de coordenadas, proyector de perfiles, etc.
Instrumentos de medida indirecta: Relojes comparadores mecánicos o indicadores de
caratula.
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Estos a su vez pueden ser capaces de medir distintas magnitudes: lineales interiores, exteriores o
profundidades y diámetros interiores o exteriores. Los datos para clasificar un instrumento son:



Magnitud o magnitudes que es capaz de medir
Campo de medida o rango de medida, valor mínimo y máximo de lectura para los cuales
ha sido diseñado.
División de escala o resolución.
Figura 58. Calibradores
Los indicadores de caratula son instrumentos ampliamente utilizados para realizar
mediciones, estos han sido diseñados principalmente para la comparación o verificación
de piezas en cuanto a su dimensión y/o forma geométrica (ovalamiento, excentricidad,
conicidad, etc.)
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Figura 59. Indicador de caratula
Consideraciones en la calibración: Al realizar una medida sobre una pieza con un instrumento
hay imperfecciones, estas se pueden agrupar en:




Errores del operador o sistema de adquisición de datos
Imperfecciones del instrumento
Imperfecciones de la magnitud a medir
Otras causas
6.2 MESA DE ALIMENTACION
Las mesas de alimentación son precisas, rígidas y hacen que una máquina herramienta sea
estable, proporcionando dos grados de libertad adicionales. Los tornillos son calibrados a 0.001
de pulgada, asegurando un posicionamiento preciso y alimentación para el mecanizado. Todas las
mesas de alimentación pueden ser adaptadas rápidamente para reducir la altura de la mesa,
cuando solo se requiere una dirección de avance.
El maquinado en el torno con una mesa de alimentación permite que el cortador se mueva a lo
largo de tres ejes diferentes: vertical, lateral y longitudinal (x, y, z). Sin embargo, no todos los
procesos de maquinado se pueden hacer usando el torno. Por esta razón las mesas de
alimentación se utilizan en una fresadora que permite realizar el maquinado en los tres ejes.
Figura 60. Mesa de alimentación de la maquina
6.3 MONTAJE Y REFERENCIADO DE UNA PIEZAS EN UNA FRESADORA.
Existen diversos tipos de sistemas de sujeción para operaciones de mecanizado como por
ejemplo: mordazas, portaherramientas y prensas. Independientemente del método utilizado en la
sujeción, hay ciertos factores que deben ser observados en todos los casos como son: el método
de aseguramiento correcto para evitar que la pieza salte en el proceso de corte, esta también debe
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estar orientada de manera que se pueda mecanizar correctamente, sin olvidar que al momento de
la sujeción de la pieza a la mesa de trabajo, ambas deberán estar libres de suciedad y rebabas.
El método de sujeción utilizado en este trabajo es de los más utilizados el cual es por medio de
una prensa, éstas son diseñadas para posicionar y sujetar piezas de trabajo con firmeza mientras
que son mecanizadas bajo diferentes especificaciones, dimensiones y tolerancias.
Las mesas de trabajo de la máquina cuentan con varias ranuras en T que se utilizan tanto para la
sujeción y la localización de la pieza de trabajo o para el montaje de los diversos dispositivos de
sujeción y accesorios, estas ranuras en T se extienden en toda la longitud de la mesa y son
paralelas a la línea de recorrido. La mayoría de los accesorios de la máquina de fresado, tales
como prensas y accesorios de referencia, disponen de teclas o lengüetas en la parte inferior de sus
bases para que puedan ser localizados correctamente en relación a las ranuras en T.
Figura 61. Prensa para fresadora
Sujeción de la pieza
La prensa normalmente similar a la del tornillo de banco, se fija a la mesa de trabajo de la
máquina de fresado, la alineación con la mesa de la máquina de fresado se proporciona por dos
ranuras en ángulos rectos entre sí, en la parte inferior de la prensa. Estas ranuras están equipadas
con clamps extraíbles que se alinean con las ranuras en T de la mesa de trabajo, ya sea en
paralelo al árbol de la máquina o perpendicular al eje.
Un tipo de prensa es la giratoria la cual contiene una escala graduada en su base, que se sujeta a
la mesa de la máquina de fresado. Al aflojar los tornillos que sujetan la prensa a su base
graduada, la prensa puede ser movida para sostener la pieza de trabajo en cualquier ángulo en un
plano horizontal.
Otro tipo de prensa es la universal esta se utiliza para trabajos con ángulos compuestos, ya sea
horizontal o verticalmente. La base de la prensa contiene una escala graduada y puede girar 360 °
en el plano horizontal y 90 º en el plano vertical.
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La prensa completamente de acero es la configuración más fuerte donde la pieza de trabajo se
sujeta cerca de la mesa. Esta puede apretar firmemente piezas fundidas, piezas forjadas, piezas
rectificadas y de superficies rugosas.
Figura 62. Partes de la prensa
Para posicionar una pieza por encima de las mordazas de la prensa, se deben utilizar calzas
paralelas del mismo tamaño y de altura adecuada. Estas calzas sólo deben ser lo suficientemente
altas para permitir el corte requerido, reduce la capacidad de retención de las mordazas.
Cuando se sostiene una pieza con calzas, se debe utilizar un martillo blando para aprovechar la
superficie superior de la pieza después de que las mordazas han sido apretadas. Este golpeteo
debe continuar hasta que los soportes no se puedan mover con la mano.
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Figura 63. Como sujetar las piezas en una prensa
Siempre que sea posible, la pieza debe ser sujetada en el centro de las mordazas. Sin embargo,
cuando sea necesario fresar una pieza corta, debe estar en el final de la prensa, se recomienda que
sea un bloque de separación del mismo grosor que el de la pieza, en el extremo opuesto de las
mordaza, esto evitará la tensión en la mordaza móvil y evitara que la pieza se deslice. Si la pieza
es demasiado delgada es imposible dejar que se extienda sobre la parte superior de la prensa, por
lo generalmente en estos casos se utilizan correas de sujeción.
Para poder referenciar la pieza de la forma más sencilla, será colocando la prensa en la mesa de
trabajo, el material o placa ya rectificada, se referenciara por medio de un indicador de caratula,
el cual se montara en el portaherramientas y con ayuda de una extensión se colocara como se
muestra en la figura 64a, y de esta manera poder obtener un paralelismo con respecto a la mesa
de trabajo; con un palpador se puede obtener las coordenadas de los vértices de la placa, para que
estas sean el inicio de maquinado.
Para que la pieza no se desplace en el eje Z con respecto a la mesa de trabajo, se ocuparan calzas
y así la herramienta de corte no colisione con las mordazas.
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Indicador de
caratula
Figura 64a. Referenciar la biela
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El cortador que se usara para el desbaste, será uno de 4mm de diámetro con 2 dientes, y para el
acabado uno de esfera de 3mm, al elegir este cortador esférico, se podrá observar un buen
acabado superficial a la pieza, además de que con estos diámetros de los cortadores, se asegura
que la pieza dañara la prensa ni la herramienta de corte ya que se tiene un buen espacio de
trabajo.
Figura 64b. Referenciar la biela
Calzas
Figura 64c. Referenciar la biela
Para poder realizar la segunda parte de la biela, se debe realizar el mismo procedimiento
anteriormente señalado, y puesto que e ya se tiene como referencia las coordenadas de los
vértices de la placa, se facilita la realización de estos pasos. Es muy importante en poner atención
y cuidado a la colocación de la pieza en las coordenadas obtenidas.
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Lo que se puede concluir es que para que nuestra biela no quede desfasada una parte de la otra, lo
más recomendable es dejar los barrenos en donde se ensambla la biela, con el cigüeñal y el bulón
del pistón, al final de nuestro proceso.
Figura 65a. Referenciar la segunda parte de la biela
Calza
Figura 65b. Referenciar la segunda parte de la biela
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Posteriormente se utiliza otro tipo de calza un poco más larga y delgada, debido a que ya no se
puede utilizar las calzas que estaban anteriormente en las esquinas debido a que una vez que
empiece el proceso del contorno de esta pieza, chocarían con el cortador dañando tanto a la
maquina como la pieza.
Cortador
Figura 65c. Referenciar la segunda parte de la biela
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CAPÍTULO VII
VALIDACIÓN DEL METODO
INTRODUCCION
La secuencia de operaciones mostrada es un método eficiente para reproducir componentes
independientemente de su complejidad, así lo demuestran las fases de manufactura mostradas en
el presente trabajo, resaltando la importancia de un proceso de manufactura como herramienta
clave para obtener mejoras en los costos.
Así mismo la economía en la manufactura con máquinas herramientas juega un papel muy
importante en las actividades de maquinado, una pieza puede ser fabricada en diferentes tipos de
máquinas herramientas pero ciertas operaciones pueden no ser posibles en ciertos equipos, es por
esto que se requiere una adecuada selección para cada trabajo con la finalidad de reducir costos.
En muchos casos una pieza simple puede ser maquinada por un operador experimentado en
menos tiempo, y a menor costo sobre una maquina convencional que sobre una máquina de
control numérico, ya que esta última requiere la programación de la serie de procesos para la
obtención del producto final, así como las diferentes velocidades de corte, velocidad de avance,
profundidad de corte, entre otros.
Por otro lado una vez que el programa es elaborado, varias piezas pueden ser maquinadas a muy
bajo costo por unidad y en un tiempo reducido, el maquinado de cada cavidad en este caso de
estudio lleva un tiempo de 3 horas con 40 minutos, por lo tanto en menos de un turno de 8 horas
se tiene la pieza deseada con una toleranci deseable, mientras que con un maquinado
convencional la fabricación llevaría varios días debido a la mayor posibilidad de error que se
tiene y dependería también de la habilidad del personal que llevaría a cabo los procesos.
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7.1
FACTORES EN LA SELECCIÓN DE MAQUINAS DE
CONTROLNUMERICO
 El costo de una maquina CNC es de 1.5 a 5 veces en comparación con una maquina
convencional.
 Requieren personal capacitado en mantenimiento y programación.
 Tiempo muerto mínimo.
 Evita errores humanos.
 El tiempo de corte de una maquina CNC es de 80% comparado con menos del 25% en
una maquina convencional
 Mejora la vida de la herramienta ya que la velocidad de corte y la profundidad de pasada
se mantienen constante.
 25% menos rechazo en las piezas realizadas.
 Reducción de 20 a 25% en manejo de material
 Reducción de 30 a 40% en tiempos de inspección y control de calidad
En conclusión si una máquina de control numérico es utilizada adecuadamente, en muy poco
tiempo se recuperara la inversión realizada.
7.2.
COMPARACION ENTRE UNA FRESADORA CONVENCIONAL Y UNA
CNC
FRESADORA
FRESADORA CNC
CONVENCIONAL
Costo aproximado
Cantidad de piezas por
hora
Mantenimiento anual
Precisión
Errores
$45,000.00
$115,000.00
Produce menor cantidad que una Produce mayor cantidad que una
fresadora CNC.
fresadora convencional
$2,600.00
$5,400.00
Menor precisión
Mayor precisión
Mayor cantidad de errores.
Menor cantidad de errores, ya
que existen múltiples programas
que sirven de ayuda para
visualizar el resultado final del
código G elaborado, de esta
manera corregir antes y asi
evitar el
desperdicio de
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material.
CONCLUSIONES
Tras elaborar este proyecto, son varias las conclusiones que hemos podido obtener. Para
comenzar, la primera conclusión que hemos obtenido al elaborar este trabajo, es que se ha
logrado cumplir el objetivo general, así como los objetivos particulares que se habían propuesto.
Es bien sabido que estas tecnologías (maquinas CNC) aceleran la producción y la calidad de los
productos en una empresa manufacturera ya que se reduce el tiempo de producción, como
también en la modificación de piezas y garantizan una buena repetitividad con calidades
aceptables.
Las aplicaciones CAD/CAM/CNC debidamente utilizadas permiten a la industria manufacturera
en México elevar considerablemente su competitividad. Esta tecnología está disponible con
varios proveedores nacionales o extranjeros, es una práctica común en México y el mundo
encontrarse con exposiciones que se enfocan básicamente a la industria metalmecánica en la cual
se ofrece tecnología para los diversos procesos de maquinado en metales.
Se pudo realizar el diseño del modelo con ayuda del software Catia, en base en las fórmulas que
se mencionan en el presente trabajo, se obtuvieron los diferentes juegos o aprietes que fueron
necesarios para el diseño del plano de manufactura de la biela, tomando en cuenta las
especificaciones del material y las dimensiones establecidas, sin dejar atrás la calidad del
producto.
Con ayuda del software MASTERCAM se llevó a cabo la simulación de la manufactura de la
biela, así como también la obtención del código G, el cual se revisó y corrigió.
Ya que el presente trabajo desglosa un método alterno al comúnmente utilizado se analizaron los
pros y contras de llevar a cabo la manufactura de una biela por el método convencional y el
propuesto, además de elegir el tipo de herramienta que se podia utilizar para llegar a cumplir los
requisitos necesarios.
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BIBLIOGRAFÍA
1. Procesos industriales para Materiales Metálicos, Julián Rodríguez Montes, Lucas Castro
Martínez, Juan Carlos del Real Romero (2009).
2. Stiven R. Schmid (2002), Manufactura, Ingeniería y tecnología.
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4. Manufactura, Ingeniería y Tecnología, Serope Kalpakjian and Steven R. Schmid.
5. Motores cfgm, David González Callejas.
6. Técnicas del automóvil- motores, J.M. Alonso.
7. Motores térmicos y sus sist.auxiliares,David González Calleja
8. ASME. Dimensioning and Tolerancing. New York: The American Society of Mechanical
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9. Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon
10. Internal combustion engine, Richard van Basshuysen and Fred Schäfer.
11. CNC Programming Handbook, 2nd. Edition.
12. Precision Manufacturing, David Dornfeld and Dae-Eun Lee.
13. Manual of engineering drawing, Colin H. Simmons and Dennis E. Maguire.
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APÉNDICE
Tabla 1 Valores de las amplitudes de las tolerancias (valores en micras)
Tabla obtenida del libro Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon
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Tabla 2 Tolerancias para ejes (en micras: 1µm = 0.001 mm)
Tabla obtenida del libro Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon
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Tabla 3 Tolerancias para ejes (en micras: 1µm = 0.001 mm)
Tabla obtenida del libro Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon
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Tabla 4 Tolerancias para ejes y agujeros (en micras: 1µm = 0.001 mm)
Tabla obtenida del libro Guide des sciences et technologies industrielles, Jean-Louis Fanchon
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