Cómo desarrollar rutas de mecanizado CNC eficientes: un caso práctico

En el proceso de fabricación, formular la ruta de proceso es uno de los pasos críticos, con un impacto significativo en la calidad de la pieza, la eficiencia de producción y el control de costes.

El tema del desarrollo de rutas de proceso puede ser amplio o restringido. Este artículo adopta un enfoque «restringido», utilizando un caso práctico de mecanizado CNC para comparar múltiples rutas de proceso, analizar sus ventajas y desventajas y, con suerte, aportarle algo de inspiración.

Condiciones previas para desarrollar la ruta de proceso

• Una comprensión exhaustiva de los procesos de mecanizado y las características de los equipos, incluida la aplicabilidad de los distintos procesos de mecanizado y el rendimiento de los equipos.
• Un profundo conocimiento de las propiedades del material, como la maquinabilidad y las características de deformación.
• Una secuencia razonable de mecanizado estructural, determinando qué estructuras mecanizar primero y cuáles después, para garantizar la estabilidad del mecanizado y la calidad de la pieza.

Análisis del producto y del plano

Este caso práctico implica un lote pequeño de piezas de 2000 unidades, fabricadas con aleación de aluminio de alta resistencia AL2024, que requiere tratamiento de oxidación tras el mecanizado. Las características de mecanizado de las piezas son las siguientes:

• Tolerancia dimensional: La tolerancia dimensional es relativamente amplia, pero la tolerancia de la estructura de oreja lateral de la pieza es la más estricta, 1,95±0,03 mm.
• Requisitos de montaje: Las posiciones de los orificios deben garantizar la precisión posicional y la precisión dimensional. Para garantizar la estabilidad, las posiciones de los orificios y su referencia deben mecanizarse en la misma operación.
• Mecanizado de roscas: Orificio roscado M3/M4, siendo M3 un orificio ciego. Para garantizar la consistencia y el llenado de la rosca, se utiliza una fresa de roscar.

A continuación se muestran las vistas 3D y 2D de la pieza.

Caso práctico: análisis y comparación de múltiples rutas de proceso

Ruta de proceso 1: mecanizado de 3 ejes de la cara B a la cara A

Pasos de mecanizado:

• CNC1: Sujeción con mordazas multiestación para mecanizar la forma exterior y los orificios de la pieza.

• CNC2: Primero, use placas de sujeción M6 para fijar ambos lados del bloque en bruto. Pause la máquina después de mecanizar la cavidad interna, instale dos tornillos M4, retire las placas de sujeción M6 y mecanice las estructuras rojas restantes.

Ventajas:

• CNC1 mecaniza simultáneamente tanto la forma exterior como las posiciones de los orificios de la pieza, con buena estabilidad dimensional.
• La dimensión de espesor se mecaniza con placas de sujeción. Por lo tanto, la dimensión de altura será muy estable.

Desventajas:

• CNC2 requiere pausar para retirar las placas de sujeción, lo que aumenta la complejidad operativa.

Ruta de proceso 2: mecanizado de 3 ejes de la cara A a la cara B

Pasos de mecanizado:

• CNC1: Sujeción con mordazas multiestación para mecanizar la forma exterior, los orificios y la cavidad interna (opuesto a CNC1 en la ruta de proceso 1).

• CNC2: Use un tornillo de banco para la sujeción, voltee la pieza para el posicionamiento y mecanice la dimensión de espesor.

Ventajas:

• La estabilidad general del procesamiento de las piezas en CNC1 es buena y no requiere pausar para cambiar las placas de sujeción en CNC2.

Desventajas:

• CNC2 utiliza sujeción por empuje lateral para fijar la pieza, lo que puede provocar un alabeo hacia arriba, dando lugar al riesgo de dimensiones de espesor inconsistentes en las cuatro esquinas, especialmente en la ubicación de la tolerancia de 1,95±0,03 mm.

Ruta de proceso 3: mecanizado de 4 ejes de la cara A a la cara B

Pasos de mecanizado:

• CNC1: Utiliza mecanizado de 4 ejes para completar simultáneamente la forma exterior, los orificios, la cavidad interna y la característica dimensional crítica de 1,95±0,03 mm, garantizando la estabilidad.

• CNC2: Es básicamente igual que CNC2 en la ruta de proceso 2. Después de mecanizar la dimensión crítica de 1,95±0,03 mm, se utiliza un tornillo de banco para la sujeción. Luego, la pieza se voltea para el posicionamiento y se mecaniza la dimensión de espesor. Aunque siga existiendo el riesgo de alabeo hacia arriba, la tolerancia dimensional puede mantenerse dentro de un rango razonable para el resto de la estructura.

Ventajas:

• La ruta de proceso 3 es una versión mejorada de la ruta de proceso 2. CNC1 completa el mecanizado de la dimensión crítica en la máquina de 4 ejes, reduciendo la dificultad de mecanizado para CNC2.
• En CNC2, las tolerancias dimensionales de espesor restantes de la pieza pueden mecanizarse lo más cerca posible de la tolerancia requerida, reduciendo los riesgos de procesamiento y aumentando la viabilidad.

Desventajas:

• CNC2 utiliza el mismo método de sujeción que la ruta de proceso 2, por lo que sigue existiendo el riesgo de alabeo hacia arriba de las piezas.

Ruta de proceso 4: sujeción única con mecanizado de 5 ejes

Pasos de mecanizado:

CNC1: El mecanizado de 5 ejes completa todas las dimensiones de la pieza en una sola operación, con corte final con hoja de sierra.

Ventajas:

• No hay errores de conversión de proceso ni de posicionamiento, lo que da como resultado una precisión dimensional óptima.

Desventajas:

• Debido al corte con hoja de sierra, algunos bordes no pueden achaflanarse en la máquina. Se requiere desbarbado y achaflanado manual después de retirar la pieza de la máquina.
• Por lo general, las fábricas de mecanizado tienen recursos limitados de máquinas de cinco ejes, que pueden no satisfacer la demanda durante la producción en masa.
• Dado que la posición de sujeción está en la parte extendida de la pieza, la pieza queda suspendida. Para reducir el traqueteo de la herramienta, la eficiencia de mecanizado debe reducirse para equilibrar esto.

Conclusión

Como podemos ver, las cuatro rutas de proceso pueden completar el mecanizado de la estructura del producto, cada una con sus características únicas. En el trabajo práctico, como ingeniero, visualizaría las ventajas, desventajas y puntos de riesgo de cada ruta como si «reprodujera una película en mi mente». También implica ponderar de forma integral estos factores en función de los recursos disponibles actualmente en la fábrica para seleccionar el más adecuado.

En este caso práctico, elegí la ruta de proceso 1. La razón principal es que la asignación de recursos de máquina de la fábrica en ese momento se alineaba bien con los requisitos de rentabilidad de este proyecto por lotes. Y la ruta de proceso 1 se centra en la «estabilidad», satisfaciendo eficazmente las necesidades de mecanizado.