Operaciones de mecanizado por medios automáticos. FMEE0208

Capítulo 2

Mecanizados por torneado

1. Introducción

En este capítulo se definirá el torno como máquina herramienta, se clasificarán sus tipos y se estudiará su estructura. Se verá además su capacidad y posibilidades de trabajo, su forma de funcionar y el tipo de herramientas de corte con las que cuenta.

Por otro lado, se definirán los modos más empleados para la sujeción de las diferentes piezas y se explicarán los distintos tipos de torneado, calculando posteriormente los parámetros de trabajo para esta máquina.

Por último, se darán unos consejos y normas relativas a la utilización del torno, que redundarán a la postre en el buen funcionamiento de la máquina y en la seguridad del operador que la utiliza; teniendo especial importancia el orden y la limpieza en el puesto de trabajo y siempre cuidando evitar los despistes a la hora de llevar a cabo este tipo de trabajos, que pueden generar accidentes.

2. Estructura y elementos constituyentes de los tornos

El torno es una máquina herramienta en la cual la pieza que posteriormente va a ser mecanizada gira con un movimiento libre (de rotación) alrededor de su propio eje.

Por otro lado, la herramienta describe un movimiento rectilíneo en su avance (hacia la pieza a mecanizar).

Importante

Mediante la interferencia o choque mecánico entre pieza y herramienta, se produce el corte que da lugar al mecanizado por torneado.

Es necesario comenzar clasificando los tornos que existen en la industria. El tipo más generalizado y conocido es el llamado torno paralelo, aunque existen otros tipos como son los tornos al aire, los verticales y los revólver (estos tipos se definirán más adelante).

2.1. El torno paralelo

En el torno paralelo (que como ya hemos señalado es el más generalizado) se pueden distinguir cuatro partes principales: la bancada, el/los carro/s, el cabezal y el contracabezal.

Cada uno de estos elementos consta a su vez de diferentes partes u órganos.

La bancada

Suele ser un chasis o bastidor con forma prismática que generalmente se construye de fundición, se sustenta en pies/patas y está cuidadosamente alisado para servir de apoyo y guía a los demás elementos constitutivos.

Este primer elemento está provisto de guías paralelas al eje de giro de la pieza. Las bancadas más comunes suelen tener guías en forma de ‘cola de milano’ o europeas, aunque también existen las guías con forma prismática o americanas.

El/los carro/s

De forma general suelen ser dos (aunque actualmente es muy común un tercer carro), y cada uno va apoyado en el anterior y se les conoce como: a) longitudinal o principal, b) transversal y c) orientable (el tercero).

1 El carro principal se desplaza a lo largo de la bancada mediante correderas. Su misión es la de aproximar la herramienta de corte a la pieza a mecanizar. Sobre él se encuentra el ‘delantal’, elemento indispensable para acometer las operaciones más usuales de torneado.

2 El carro transversal es el encargado de trasladar la torre portaherramientas en dirección perpendicular a la descrita en el párrafo anterior.

3 El tercer carro (orientable o ‘charriot’) se ubica sobre la plataforma de giro. Esta plataforma tiene como objetivo que el operador de torno conozca en cada momento el ángulo que forma el carro con la bancada del torno.

El cabezal

Es el conjunto electromecánico que proporciona el par necesario para hacer girar el plato y por tanto la pieza, y producir por consiguiente el corte sobre esta.

Está formado por un bastidor ajustado a un extremo (izquierdo generalmente) de la bancada y fijado fuertemente a ella mediante elementos de unión. En la parte superior de este bastidor se encuentran unos cojinetes que soportan perfectamente al eje del cabezal.

En el propio cabezal van montados también diferentes elementos encargados de realizar la transmisión entre el motor eléctrico y el eje.

El contracabezal

También es llamado cabezal móvil. Este se encuentra frente al plato de giro (o cabezal) y generalmente ocupa el extremo opuesto de la máquina. Está constituido por piezas móviles que pueden ser situadas y fijadas a voluntad en cualquier punto de la bancada.

La parte superior tiene un agujero perfectamente paralelo a la bancada y enfrentado a igual altura con el eje del cabezal. El contracabezal, por tanto, sujeta y fija las piezas de extrema longitud durante el proceso de torneado.

Además del torno paralelo, existen otros tornos que estarían comprendidos entre los llamados tornos singulares. Los tipos más extendidos y con mayor aplicación en la industria serían: los tornos al aire, los tornos verticales y los tornos revólver.

Importante

Entre los tornos singulares destacan los tornos al aire, los verticales y los revólver.

2.2. El torno al aire

Está destinado a trabajar con piezas muy grandes. No suele tener bancada y el cabezal, carro y contrapunta se fijan sobre enormes placas de fundición empotradas en el suelo (o plataforma destinada al efecto).

Entre el cabezal y la contrapunta es muy común la existencia de un hueco o foso para trabajar con piezas de gran diámetro.

Una de las desventajas de este tipo de tornos es la inercia de las piezas (debido a su tamaño). El avance en este tipo de tornos es aplicado por medio de una cadena, que junto a un mecanismo de trinquete interrelaciona con el husillo.

Torno al aire

Nota

El husillo es un tornillo grande, de hierro en estos casos, usado para mover las prensas y otras máquinas o utensilios.

2.3. El torno vertical

El eje de este torno está dispuesto verticalmente, y el plato giratorio está colocado en un plano horizontal para facilitar el montaje de las piezas.

Las herramientas de corte van alojadas en carros que se desplazan vertical y transversalmente (a la pieza objeto de trabajo). Existen tornos verticales de dimensiones descomunales, como son los encargados de realizar trabajos en partes o zonas de hélices y/o turbinas para hidráulica o aeronáutica.

2.4. El torno revólver

Se puede ver tanto de eje vertical como de eje horizontal. La ventaja de este torno es la rapidez y la precisión de sus trabajos (ejecución de piezas en serie).

La principal característica de este torno es la de disponer de un tambor giratorio (frente al cabezal). Este tambor es en realidad un elemento giratorio portaherramientas; de este modo facilita los sucesivos cambios de herramientas, quedando estas automáticamente almacenadas y/o en la posición correcta de trabajo.

Recuerde

El torno es la máquina giratoria más antigua y una de las más utilizadas en la actualidad en las industrias de fabricación metálica.

3. Funcionamiento y prestaciones de mecanizado de los tornos

En este subcapítulo tendremos la ocasión de entender el funcionamiento del torno y distinguir los materiales a los que se pueden aplicar trabajos de torneado (los considerados materiales mecanizables).

Por otro lado, se verá la función de sus componentes y constituyentes, donde se clasificarán las más conocidas herramientas de corte y su aplicación a trabajos de torneado.

3.1. Funcionamiento del torno

Entendamos el torno como una máquina giratoria que da forma mediante un procedimiento de arranque de viruta a distintos tipos de material.

Las piezas idóneas para poder ser trabajadas en esta máquina son las que parten de un tocho de material bruto cilíndrico (por tanto, se obtienen piezas de revolución).

Básicamente, el material gira a una velocidad preestablecida y a su vez una herramienta cortante se desplaza tanto perpendicular como paralelamente al eje de giro de la pieza, produciendo la eliminación de viruta (o material) necesaria para dar finalmente a la pieza la forma deseada.

Las operaciones susceptibles de poder realizarse con el torno son múltiples y variadas, siendo las más usuales el refrentado de caras paralelas, el cilindrado interior y exterior, perfilado, ranurado, etc. (estas y otras operaciones se explicarán en el epígrafe 6.1. Técnicas de torneado).

3.2. Materiales mecanizables y maquinabilidad

De forma general, se puede afirmar sin temor a equivocación que existen dos grandes grupos de materiales susceptibles de poder ser mecanizados.

Definición

Maquinabilidad

Es la capacidad que tiene un material para poder ser convenientemente mecanizado.

Cada grupo posee ciertas características que lo hacen más o menos mecanizable.

Materiales del grupo 1

Metales y aleaciones

Comprende los aceros al carbono, los aceros inoxidables, el aluminio, el latón, el bronce, etc.

Existen aceros con gran maquinabilidad (también llamados aceros automáticos). Estos se caracterizan por contar en su composición química con una serie de aditivos (azufre, plomo, fósforo, etc.) que los dotan de características especiales referidas al arranque de viruta.

Materiales del grupo 2

Plásticos y derivados

En este grupo se encontrarían el nailon, el metacrilato, el adiprene, etc.

Durante los trabajos realizados con este tipo de materiales es de suma importancia un adecuado cálculo de los parámetros de torneado. Un mal cálculo influirá en que se sobrepasen los límites elásticos y/o plásticos, dando como resultado un mecanizado deficiente a todas luces.

3.3. Tipos de herramientas de corte

Herramientas de acero rápido

Pertenecen al grupo de los aceros F-550. Existen de dos tipos: de cobalto o wolframio, con el cual mejoran sobremanera sus características de corte. Poseen mayor dureza que los aceros aleados y pueden trabajar a temperaturas de hasta 600 ºC.

Soportan altas velocidades de corte y suelen estar construidas de una sola pieza. Se identifican con las siglas HSS (high speed steel = acero de alta velocidad).

Herramientas de metal duro

Son compuestos ‘cermets’, aunque coloquialmente son conocidos como ‘widia’, y están elaborados a base de partículas cerámicas mezcladas con aglomerante metálico. Tienen una altísima dureza, de aproximadamente 90 HRC (dureza ‘rockwell’), por tanto también son muy frágiles, ya que pueden romperse con vibraciones y golpes.

Sabía que...

Coloquialmente la palabra ‘widia’ se utiliza para designar a las herramientas de metal duro o endurecidas. Del alemán: (WI) como y (DIA) diamante.

Su resistencia a la temperatura es mayor que la de los aceros rápidos (hasta 800 ºC), por lo que pueden trabajar a elevadas velocidades de corte.

3.4. Tabla de velocidades teóricas de corte (desbaste y afino)

Para encontrar las velocidades teóricas en los trabajos de desbaste y afino (que se verán más adelante) existen multitud de prontuarios o tablas de ayuda al operador. Estas tablas facilitan información muy valiosa, ya que proporcionan los parámetros de velocidad en función del material a mecanizar y del tipo de herramienta.

Los valores de velocidad de corte que aparecen en la siguiente tabla son válidos para herramientas de metal duro (para trabajo en seco) y herramientas de acero rápido (para trabajo con aceite de corte).

V = Velocidad de corte A = Avance P = Profundidad de corte

A partir de estos valores se procederá al cálculo de la velocidad de giro del torno (giro del plato). Se elegirá posteriormente la velocidad de avance y la profundidad de corte para obtener el tiempo de mecanizado.

Ejemplo

Se dispone de un tocho de 250 mm de aluminio, con 148 mm de diámetro, el cual se desea pasar a 145,75 mm.

En el taller de mecanizado no se dispone de herramientas de ‘widia’, por tanto se utilizan otras de acero rápido.

Se realizará una primera fase de desbaste y posteriormente una segunda de acabado.

En primer lugar, se procede al desbaste (paso de 148 mm a 146 mm).

En la tabla anterior, cruzamos aluminio y acero rápido HSS con la columna de desbaste y velocidad de corte, y se obtienen 80 m/min.

Por tanto, al substituir el valor anteriormente obtenido, en la fórmula que relaciona la velocidad de giro del torno con la velocidad de corte y el diámetro de la pieza:

Donde:

n = velocidad de giro del husillo (rpm)

v = velocidad de corte (m/min)

π = valor constante 3,14159 (adimensional)

D = diámetro de la pieza a tornear (mm)

Resulta:

n = (1.000 mm/m · 80 m/min) / (3,14159 · 148 mm) = 172,06 r. p. m

Esta es la velocidad a la que debe girar el husillo.

El desbaste se puede realizar en una sola pasada, ya que según la tabla con material aluminio y a 80 m/min de velocidad de corte, se puede llegar a una profundidad de corte de hasta 8 mm (utilizaríamos entonces 1 mm para conseguir un diámetro de 146 mm). El avance, sin embargo, ha de ser inferior a 1 mm (se elige pues 0,75 mm).

Por lo tanto, si la herramienta avanza a 0,75 mm/rev y la velocidad del torno es 172,06 r. p. m., esta recorrerá en cada minuto 129,042 mm.

0,75 mm/rev · 172,06 r. p. m. = 129,045 mm/min

Como la pieza tiene una longitud de 250 mm, se tardará por tanto en desbastar la pieza 1,94 minutos (1 min y 56 s).

250 mm / (129,045 mm/min) = 1,94 min

Se procede seguidamente al afino o acabado de la pieza. Arrancando material para pasar de 146 mm de diámetro a 145,75 mm.

En la tabla, cruzamos aluminio y acero rápido HSS con la columna de acabado y velocidad de corte, y se obtienen 100 m/min.

Por tanto, al substituir en la fórmula siguiente:

Resulta:

n = (1000 mm/m · 100 m/min) / (3,14159 · 146 mm) = 218,02 r. p. m.

Esta es la velocidad a la que debe girar el husillo.

Se ve claramente que el acabado se puede realizar en una sola pasada, ya que según la tabla con aluminio y a 100 m/min de velocidad de corte se puede llegar a una profundidad de corte de hasta 1 mm (utilizaríamos entonces 0,125 mm para conseguir un diámetro de 145,75 mm). Sin embargo, el avance ha de ser inferior a 2 mm (se elige pues 1,5 mm).

Por lo tanto, si la herramienta avanza a 1,5 mm/rev y la velocidad del torno es 218,02 r. p. m., esta recorrerá en cada minuto 327,03 mm.

1,5 mm/rev · 218,02 r. p. m. = 327,03 mm/min

Se tardará en acabar o afinar la pieza 0,76 min (46 s) puesto que:

250 mm / (327,03 mm/min) = 0,76 min = 46 s

3.5. Velocidades reales de corte

El valor de velocidad hallado al que debe girar el torno generalmente no se puede conseguir en la realidad.

Nota

Los tornos convencionales no disponen de una gama continua de velocidades.

Por lo tanto, debemos escoger entre el inmediato inferior o inmediato superior a la velocidad de giro calculada. Hay que tener en cuenta que si nos ceñimos al valor más bajo ocurrirá lo siguiente:

1 La cuchilla se desgastará menos (durará más).

2 Los tiempos de producción aumentarán.

Y ajustándonos al valor más alto, ocurrirá lo siguiente:

1 La cuchilla se desgastará con mayor rapidez (durará menos).

2 Los tiempos de producción disminuirán.

Se elegirá por tanto la velocidad más baja si lo que se pretende conseguir es minimizar los costes, y nos decantaremos por la mayor velocidad si nuestro objetivo es maximizar la producción.

La experiencia demuestra la necesidad de una solución de compromiso, ya que en ocasiones juegan un papel muy importante variables como el número de piezas a fabricar, número de fases en cada pieza, cambio de herramientas, etc.

Recuerde

Los cálculos teóricos se deben adaptar a la gama de velocidades de nuestro torno. Una baja velocidad minimiza los costes y una alta velocidad maximiza la producción.

3.6. Mantenimiento preventivo

Para que las prestaciones o capacidades del torno no se vean afectadas con el paso del tiempo (y de su utilización intensiva), se hace necesario un mantenimiento regular de la máquina.

Nota

La falta de mantenimiento tiene como consecuencia trabajos defectuosos y piezas rechazadas.

La falta de este mantenimiento hace asumir en determinadas ocasiones un coste económico que a la postre jugará muy a la contra. De aquí la importancia del mantenimiento preventivo de la máquina.

3.7. Influencia negativa de las vibraciones

Otros factores que pueden resultar negativos (y se derivan de la falta de mantenimiento) para la precisión del trabajo de mecanizado por torneado son las vibraciones.

Las vibraciones durante los trabajos de torneado son un mal que afecta muy negativamente tanto a las herramientas de corte como a las piezas durante su elaboración, y por supuesto a la máquina en su conjunto.

Por consiguiente, la calidad general de los trabajos se resiente con regularidad tras la aparición de este fenómeno.

Las vibraciones van a depender en general del torno en sí mismo, de la pieza a tornear, de la herramienta utilizada, del contrapunto y del centro de la pieza.

Del torno en sí mismo

La máquina puede ser demasiado débil para el esfuerzo que se le está obligando a realizar. A veces ocurre que la máquina no está bien equilibrada o nivelada.

Por otro lado, los tornillos que unen las patas/pies al suelo pueden encontrarse mal ajustados.

Puede existir demasiada holgura (juego) en partes como el eje o entre el conjunto formado por carro/s y guía/s.

De la pieza a tornear

Esta puede no estar bien fijada al plato de giro (demasiado floja). Puede ocurrir que la pieza sea demasiado larga con relación a su diámetro (y por tanto flexe).

Además, puede estar mal equilibrada debido a su forma irregular.

De la herramienta utilizada

Puede suceder que la herramienta no esté asegurada con rigidez, esté demasiado al aire (voladizo) o seriamente desgastada (no afilada).

El avance puede ser demasiado lento. Por otro lado, el exceso de avance y de profundidad de corte también afecta negativamente.

Del contrapunto

Se puede encontrar en mal estado y habrá que rectificarlo. Puede ocurrir que sobresalga demasiado del contracabezal; en este caso la solución pasa por ajustarlo convenientemente.

Del centro de la pieza (que sirve de apoyo al contrapunto)

Puede suceder que esté contaminado (partículas metálicas) o no esté convenientemente lubricado.