DISMINUCIÓN DE LA VARIACIÓN DIMENSIONAL DE PIEZAS ASERRADAS COMO EFECTO DE LA CALIDAD DEL FILO DE SIERRAS CINTAS

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DISMINUCIÓN DE LA VARIACIÓN DIMENSIONAL DE PIEZAS ASERRADAS COMO
EFECTO DE LA CALIDAD DEL FILO DE SIERRAS CINTAS
Conference Paper · June 2008
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Jhonattan Trejo
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V CONGRESO BOLIVARIANO DE INGENIERÍA MECÁNICA
II CONGRESO BINACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
17 – 20 Junio de 2008, Cúcuta -Colombia
DISMINUCIÓN DE LA VARIACIÓN DIMENSIONAL DE
PIEZAS ASERRADAS COMO EFECTO DE LA CALIDAD DEL
FILO DE SIERRAS CINTAS
Jhonattan J. Trejo F., Pablo M. Ninin J.
Universidad de Los Andes.
Facultad de Ciencias Forestales y Ambientales.
Laboratorio Nacional de Productos Forestales - ULA (LNPF-ULA)
Mérida 5101. Venezuela.
e-mail: [email protected], [email protected]
RESUMEN
Se evaluó el efecto del tratamiento de mejora de la calidad de afilado en sierras de cinta para el procesamiento primario de
trozas de Pino pátula sobre las variaciones dimensionales correspondientes al espesor de piezas aserradas, considerando
para ello el tiempo efectivo de corte. Se aplicaron dos tratamientos de afilado, preparando cintas “A” y “B”, con idénticas
magnitudes de variables inherentes a la geometría del diente. La cinta “A” perfilada y afilada utilizando piedra abrasiva
granulometría 60, vale decir, el perfilado y afilado convencional en la industria. La cinta “B” luego del perfilado
convencional, fue afilada con piedra abrasiva matriz resinóide de granulometría 120, eliminando las rebabas producto del
perfilado, dejando un acabado de calidad con notable reducción de la rugosidad del perfil.
Al evolucionar los diferentes desgastes (“A” y “B”) de las herramientas cortantes considerando sus correspondientes
tiempos efectivos de corte, resulto que la variabilidad de los espesores de la madera aserrada correspondiente al
procesamiento con sierras de cintas con afilado convencional (“A”), fue notablemente superior que la del procesamiento con
cintas con acabado final de calidad del afilado(“B”). Se consideraron las tolerancias de variación de espesor de madera
aserrada establecidas con las normas de peso internacional. Un afilado de calidad final contribuye con la reducción de las
variaciones dimensionales de las piezas aserradas durante el proceso de aserrado y por ende, con el rendimiento de la
materia prima.
Palabras claves: Control de calidad, Industria del aserrío, Variación dimensional, Piezas aserradas, Control dimensional,
Rendimiento.
INTRODUCCIÓN
Lograr un producto de calidad es la meta fundamental en la
cadena de procesamiento mecánico de la madera. Las
variaciones dimensionales se corresponden con aquellas
imperfecciones o deformaciones que se pueden presentar
entre diferentes piezas aserradas o en una misma pieza,
causada por un conjunto de variables inherentes a las
condiciones de corte y de la herramienta cortante. La
magnitud de las variaciones dimensionales está
estrechamente relacionada con el rendimiento de materia
prima, teniendo a su vez una influenza directa sobre la
productividad. Las dimensiones inexactas de producto de
madera aserrada, ocasionan graves problemas en los
procesos posteriores de manufactura hasta lograr un bien
final, generando fundamentalmente pérdidas de materia
prima y retrabajos o procesamientos adicionales que
reducen la productividad. La presente investigación se
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concentra en el efecto de la calidad de filo sobre la
variación dimensional de piezas aserradas.
La calidad deber ser lograda con el mayor rendimiento de la
materia prima – troza y con la mayor productividad. Estas
variables son los indicadores del desempaño de un
aserradero. Según Williston 1978, citado por Rondón 1993,
las variaciones dimensionales de la madera aserrada tienen
efectos negativos notables, no solo sobre la calidad de los
productos sino también sobre el rendimiento de la materia
prima.
El costo de la materia prima es el mayor para un aserradero,
siendo uno de los principales factores que afectan la
rentabilidad de la industria maderera, por esta razón es
indispensable controlar las pérdidas y maximizar el
rendimiento en volumen y calidad del producto resultante.
A su vez si el producto elaborado sufre una disminución en
su calidad, por ende, sufrirá una reducción en su precio, lo
que trae como consecuencia una declinación en el beneficio
del aserradero. Según Williston 1992, citado por Rondón
1993, se debe admitir que grandes cantidades de dinero
pueden ser perdidas cada año, inclusive en un aserradero de
tamaño modesto, en forma de perdidas directas en la
materia prima o por el decrecimiento de la calidad de los
productos.
En Norteamérica, en la misma medida que el precio de la
materia prima sufría de incrementos progresivos, muchos
aserraderos examinaron críticamente el control dimensional
de la madera aserrada en cada centro de máquinas, como un
medio para incrementar los beneficios. Se ha reconocido
que un buen control de las dimensiones de la madera
aserrada genera una mejoría que permite incrementar la
rentabilidad, debido a que se alcanzan lograr aumentos en el
orden del 20% y más en el rendimiento de la materia prima
(Williston 1988).
Los países industrializados han adoptado una tendencia a la
aplicación de sistemas de control de calidad de los
productos, trabajando a partir de la asignación para las
dimensión final o Target Size, que no es más que trabajar el
espesor de las piezas a aserrar en función de las posibles
perdidas de materia prima en el procesamiento (Ninin,
1994), entre ellas la variación dimensional bajo control y
dimensión final del producto. El control de calidad en los
aserraderos, comienza desde el mismo momento que es
seleccionada la troza, para obtener un producto de calidad
conocida. Su selección y clasificación son determinantes de
su correcto procesamiento o conversión en madera aserrada,
proceso de secado y embalaje o empaque (Navarrete, 1991).
Para asegurar la comercialización de la madera aserrada, es
necesario mejorar la calidad de los productos, ya que tanto
en el mercado nacional como en el internacional son cada
vez mayores las exigencias que se imponen a los productos
forestales. Como prueba de ello, podemos citar la adopción
de sellos de calidad para productos manufacturados
(madera) que ingresan a la Comunidad Económica Europea
(C.E.E).
DESARROLLO
Se prepararon dos (2) cintas (herramienta cortante
utilizada), ambas con características geométricas idénticas
(Cinta A y Cinta B). Las especificaciones de las sierra de
cinta utilizadas fueron: ancho (200 mm), espesor (1,45
mm), longitud (9000 mm) y las características técnicas de
su dentadura que se encuentra conformada por: paso (50
mm), altura del diente (17 – 18 mm), capacidad de garganta
(504 mm³) , ángulos de corte (α) (30˚), ángulo libre (γ) (10˚)
y ángulo de hierro (β) (50˚), sus valores de traba (λ) (0,8
mm), sus ángulos de rectificación tanto frontal (7˚) como
lateral (6˚) y el perfil de la dentadura (pico de loro), como
se aprecia en la figura 1.
La cinta A, representa al afilado de tipo convencional y
ampliamente utilizado en el país, y no es más que recorrer la
dentadura con la piedra del esmeril de la afiladora de sierras
de cintas, la cual es alimentada eléctricamente a través de
un motor trifásico de 0,47 kw solo para el giro del esmeril y
de 3400 rpm; encargada de eliminar de los fondos de
gargantas (fondos de los dientes) las microfisuras, y corregir
el filo de la arista cortante (arista del diente), como se
aprecia en la figura 2. La piedra abrasiva de la afiladora de
sierras, está conformada principalmente por óxido de
aluminio blanco, con una liga cerámica vitrificada y una
granulometría estandarizada en la industria del país de
grano 60. Esta piedra abrasiva, al realizar su acción sobre el
metal de la cinta, deja una superficie bastante rugosa y
perpendicular al eje de la cinta (de acuerdo a la ubicación
del esmeril respecto a la cinta).
Figura 1 Terminología de una cinta
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acción en el mismo instante, es decir, 6 dientes cortando a la
vez, y así evaluar la influencia del afilado con acabado final,
tomando en consideración la capacidad de corte de la Sierra
de Cinta Brenta de 55 Hp y la caja de velocidades de 12
combinaciones, al determinar el espesor de viruta óptimo,
tomando en cuenta los grupos energéticos (Ninin, 1986).
Para ello fue necesario realizarle pruebas a la materia prima
en la sección de Ensayos del Laboratorio Nacional de
Productos Forestales (LNPF), con el fin de determinar la
densidad de la madera de Pino Pátula utilizada en esta
investigación. Encontrando valores de densidad promedio
de 0,527 grs/cm³.
Figura 2 Recorrido del esmeril por cada diente durante el
proceso de afilado.
Vale resaltar que luego que el esmeril hace su trayectoria
sobre el diente, deja una cantidad considerable de rebabas,
las cuales afectaran de forman considerable la capacidad de
seccionamiento de la madera de acuerdo a lo expuesto por
Trejo J., 2006.
Lo correspondiente a la cinta B, representa un afilado con
acabado final de calidad. Este tratamiento consiste en hacer
pasar una piedra para acabado final (matriz resinóide) de
granulometría mayor (120), como un paso posterior al
perfilado tradicional. Esto con el fin de borrar las marcas
que deja el esmeril de la afiladora de cintas y eliminar los
residuos de metal en forma de rebaba presentes en los
dientes luego de un afilado convencional utilizando la
tradicional piedra de granulometría 60.
Luego que se preparan las cintas, se verifica el correcto
afilado de cada una de las variables inherentes a la
geometría de la herramienta, utilizando como instrumento
de medición un vernier digital con precisión de 0,001 mm y
un medidor de trabas con precisión de 0,01 mm; con una
intensidad de muestreo del 20% de los dientes que
conforman la cinta. Se selecciona al azar en sectores
simétricos de la herramienta en cuestión.
Los resultados permitieron confirmar el control de la
calidad geométrica de las herramientas, puesto que el
coeficiente de variación CV (%) arrojó valores inferiores al
10%, en donde tenemos que el CV (%) de la muestra (n =
40 dientes) fue de 7,19%, para el ángulo de corte de 7,43%,
para el ángulo libre de 7,21%, para el ángulo de hierro de
7,80%, para la traba izquierda de 7,12% y para la traba
derecha de 7,22%.
Se estandarizaron las alturas de corte a 300 mm, para
mantener la misma proporción de dientes haciendo su
Es importante resaltar, que procesar la madera tomando en
consideración los espesores de viruta óptimo, conlleva a
acercarse a la saturación de las gargantas de los dientes de
la cinta; teniendo que por definición, el espesor de viruta
óptimo (Ev opt) es aquel que para una altura de corte dada,
satura la capacidad de evacuación de las gargantas con el
aserrín resultante, con el menor consumo de energía
posible; como se refleja en las 5 metas del procesamiento de
la madera, descritas Trejo J., 2006.
Tomando en consideración la expresión matemática del
espesor de viruta óptimo, se tiene que el valor ajustado a
nuestras características es de 0,56 mm:
EvOpt =
Val * Paso
Vh
(1)
Donde:
i.
ii.
iii.
iv.
Ev opt: espesor de viruta óptimo (mm).
Val: velocidad de alimentación (m/min).
Paso: paso de la herramienta (distancia entre
dos aristas de dientes consecutivos) (mm).
Vh: velocidad de la herramienta (m/min).
Por el efecto de los esfuerzos de corte en la parte dentada de
la cinta y que éstas además se encuentran sometidas a
esfuerzos de tensión de montaje constante, tradicionalmente
se ha establecido como mantenimiento preventivo de que
los turnos de trabajo de cada cinta están limitados a 4
horas/cinta, para luego diagnosticarlas en la sala de afilado,
hacer limpiezas de gargantas y minimizar el efecto de
posibles microfisuras, aplicando un paso muy suave del
esmeril, siendo para la presente investigación de sumo
interés de no afectar el filo sino solamente el fondo de la
garganta de la parte dentada, puesto que se trata de la zona
de mayor concentración de esfuerzos.
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Se tomaron como referencia, los valores de tolerancia para
piezas aserradas de la norma internacional Southern Pine
Inspection Bureau (SPIB), ya que muestra limites de
tolerancia más exigentes que para la norma Venezolana
COVENIN, y además es importante desarrollar la presente
investigación con miras de establecer las estrategias de
mercado en función de normas internacionales. Por lo tanto
para piezas aserradas con espesores nominales (Enominal)
de 20mm se tomó como limite superior de control (LIC)
equivalente 18,4mm y como limite inferior de control
(LSC) el valor de 21,6. Siendo entonces la tolerancia de
variación de espesor de madera aserrada máxima
equivalente a 1,6mm.
El levantamiento de información inherente a las variaciones
dimensionales, se realizaron para cada tipo de cinta, siendo
la referencia límite o parada de toma de mediciones la
presencia, de manera constante
y con magnitudes
crecientes, de variaciones dimensionales que no estaban en
conformidad con lo establecido por las normas SPIB. Es
decir, para la cinta tipo “A”, de afilado convencional, se
alcanzo a medir la variación dimensional a 60 piezas
muestra, puesto que de manera constante y con magnitudes
crecientes ocurrían piezas con variaciones dimensionales
superiores a lo preestablecido por la norma SPIB. De igual
manera, ocurrió para el caso de la cinta tipo “B” de afilado
con acabado final de calidad, se alcanzo a medir la
variación dimensional a 90 piezas muestra.
Las mediciones del espesor de las piezas aserradas, fue
realizada mediante la utilización de un vernier digital con
precisión a 0,001mm. Las lecturas se realizaron en 5
sectores de las piezas aserradas con igual distanciamiento
entre medidas, a partir de 304,8mm (1pies) de los extremos,
como se aprecia en figura 3 y 4.
Figura 3: Zonas para toma de lecturas del espesor de las
piezas aserradas
Figura 4: Lecturas de espesor de las piezas aserradas
(Vernier Digital)
RESULTADOS
Para la cinta tipo “A”, de afilado convencional, se
realizaron mediciones de variación dimensional sobre
piezas hasta un total de 12 horas, es decir, 3 turnos de 4
horas, es decir hasta presentarse de manera constante y con
magnitudes crecientes variaciones dimensionales de no
conformidad con la norma SPIB. De igual forma, en el caso
de la cinta “B” de afilado con acabado final de calidad, se
realizaron mediciones de variación dimensional sobre
piezas hasta un total de 18 horas, es decir, 4 turnos de 4
horas más 2 horas adicionales.
El primer análisis nos permite afirmar, que un total de 60
piezas muestra obtenidas con la cinta tipo ”A”,
correspondiente al tratamiento de afilado convencional, el
46,67% de las piezas muestra presentaron variaciones
dimensionales superiores a las establecidas por las normas
SPIB. Con respecto a las piezas obtenidas con la cinta tipo
“B”, que representa el afilado con acabado final de calidad,
resultó con un 17,78% de piezas muestra que presentaron
variaciones dimensionales superiores a las establecidas por
las normas SPIB.
Por otra parte, se observa de manera general, en las figuras
5 y 6, la tendencia a ser mayor el número de piezas con
variaciones dimensionales en conformidad con las normas
SPIB, en las primeras horas del turno, para luego ir
incrementado el número de piezas de con variación
dimensional no admisible, lo cual evidencia la acción del
desgaste de la herramienta. Para el caso del tratamiento de
cinta tipo “A”, se observa que la generación de desvíos en el
corte que producen variaciones dimensionales que están en
no conformidad con la norma SPIB, se inician de manera
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Espesor(mm)
incipiente a partir de las 8 horas de turno, para luego ir
aumentando las magnitudes provocando las mayores
variaciones dimensionales hasta las 12 horas. Para el caso
del tratamiento de cinta tipo “B”, se observa que los desvíos
en el corte que generan variaciones dimensionales no
admisibles por la norma SPIB, se inician de manera
incipiente a partir de las 16 horas, para luego sufrir ligeros
incrementos de variaciones dimensionales que se separan
del limite superior de control y del limite inferior de control,
alcanzando las mayores magnitudes de variación
dimensional alrededor de las 16 horas.
22
21
20
19
25
18
24
17
Espesor(mm)
23
4h
8h
12h
22
LSC
Enominal
21
Emax
Emin
16h
LIC
Figura Nº6. Variaciones Dimensionales para Afilado con
acabado final.
20
19
18
LSC
Enominal
8h
LIC
10h
11h
23
6h
17
4h
11
2h
4
1
17
Emax
Figura Nº5. Variaciones Dimensionales para Afilado
Convencional.
12h
Emin
Es evidente, en las Figura 5 y 6, que el efecto del desgaste
de los filos esta íntimamente relacionado con la presencia e
incrementos de los valores de espesor, expresados en
términos de variación dimensional. En tal sentido, el efecto
del desgaste del filo de la cinta tipo “A”, de afilado
convencional, se inicia a partir de las 8 horas, mientras que
para la cinta tipo “B”, de afilado con acabado final de
calidad, ocurre a partir de las 16 horas. Por lo tanto se puede
afirmar que el efecto progresivo del desgaste del filo sobre
la variación dimensional en el espesor de madera aserrada,
se reduce aproximadamente en un 50% cuando se aplica el
afilado con acabado de calidad.
Es importante destacar, al observar la evolución de las
variaciones dimensionales en el tiempo, que existe un
comportamiento más homogéneo para el caso del afilado
con acabado final de calidad ante el afilado convencional,
encontrando valores más dispersos y con la incidencia de
piezas aserradas fuera de norma en las primeras horas del
procesamiento de la materia prima.
A partir de la diferencia entre la mayor y menor dimensión
de espesor medido en cada pieza muestra, tanto para el
tratamiento de cinta tipo “A” como para el tipo “B”, se
desarrollo un análisis de varianza, con el objeto de
determinar sin existen diferencias estadísticas entre los dos
tratamientos en cuestión. En el cuadro 1, se observa que
existen diferencias altamente significativas a un 95% de
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confiabilidad entre las variaciones dimensionales generadas
por el aserrado con cintas con afilado de acabado tradicional
(Cinta tipo “A”) y las obtenidas por el afilado de acabado de
calidad (Cinta tipo “B”)
Cuadro 1. Análisis de Varianza para la diferencia entre la
mayor y menor dimensión de espesor medido
en cada pieza muestra.
Fuente de Gl
Suma
Cuadrad
F
P
Variación
Cuadrad Medio
Tipo de
1
15,00
15,00
10,22
0,002
Cinta
Error
148 217,15
1,47
Total
149 232,15
Al ser altamente significativa la diferencia entre los
tratamientos en cuestión, se procedió a ejecutar un análisis
de diferencia de medias por el Método Tukey, evidenciando
con un 95% de confiabilidad que las medias de variación
dimensional de piezas aserradas, generadas por el aserrado
con cintas de afilado de acabado tradicional (Cinta tipo
“A”) son significativamente mayores que las obtenidas con
el afilado de acabado de calidad (Cinta tipo “B”)
3.
En lo referente al mantenimiento del filo de las cintas,
se aprecia un notable beneficio en lo referente a la vida
útil del filo, cuando el afilado de acabado final es
aplicado. Este tratamiento permite duplicar la vida útil
del filo, expresado en términos de tiempo de trabajo o
turno.
4.
Lo que conduce hacia la aplicación de un concepto
novedoso y en plena evolución, la ecoeficiencia. Que
puede resumirse en “Producir más con menos”, es
decir, reducir los desechos, consumir menos energía y
materias primas, lo que implica para la empresa
reducir sus costos de producción y operación; para el
ambiente disminuir la contaminación y el deterioro
(Taylhardt, 1998).
RECOMENDACIONES
1.
Cuantificar la rugosidad del metal, a través de la
utilización del rugosímetro, en ambos casos de afilado.
Es decir, para la superficie de los dientes con el
recorrido de la piedra abrasiva de granulometría 60 y la
piedra abrasiva de matriz resinoide de granulometría
120, y así atribuirle valor de la variación de la
rugosidad del metal respecto a la variación del
consumo de intensidad de corriente consumida.
2.
Cuantificar la cantidad de insumos consumidos y
tiempos de operación de reparación y mantenimiento de
herramientas cortantes para ambos casos de afilado.
3.
Evaluar una metodología que permita cuantificar la rata
de desgaste de las cintas en ambos tratamientos, y que
tenga viabilidad de aplicación en la industria nacional
del aserrío; ya que, los métodos actualmente utilizados
son de tipo indirectos.
4.
Fomentar el uso de metodologías para evaluar
gargantas y espesores de virutas en la industria nacional
del aserrío, con la finalidad de manejar variables que
permitan incrementar su productividad.
5.
Divulgar los resultados obtenidos mediante talleres
demostrativos en la industria del aserrío nacional y
fabricantes de las piedras abrasivas.
CONCLUSIONES
1.
2.
Si la potencia de motor de la sierra de cinta es
suficientemente holgada, se puede afirmar que la causa
de los desvíos de la línea de corte, que genera una
variación dimensional y por ende un menor
aprovechamiento de la materia prima, es causada por el
grado de desgaste del filo de la herramienta cortante.
Una cinta que presente desvíos continuos y
considerables hacia las primeras horas del proceso de
obtención de madera aserrada, implica una deficiencia
en la calidad del trabajo realizado en la sala de afilado,
por el contrario, una cinta que muestre desvíos de la
línea de corte luego de pasadas las 4 horas de trabajo
para un afilado convencional, es considerada como una
situación normal producto del efecto progresivo del
desgaste.
La variabilidad de los espesores resultantes del
procesamiento primario de Pino Pátula con sierras de
cintas con afilado convencional es superior que la
variabilidad de los espesores resultante del
procesamiento con sierras de cintas con afilado con
acabado final de calidad. De este modo, el rendimiento
de la materia prima alcanzado por la menor incidencia
de los desvíos de la línea de corte y por la menor
proporción de productos defectuosos (que no satisfacen
las normas de calidad dimensional), justifica la
aplicación de un acabado final de calidad del afilado.
Agradecimientos
Se agradece al Laboratorio Nacional de Productos
Forestales – ULA
(LNPF-ULA), por la cooperación
económica y tecnológica para el desarrollo de esta
investigación.
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