Un dispositivo de sujeción (o fixture, en términos del sector) es el conjunto de elementos que mantienen una pieza de trabajo en una posición y orientación fijas durante el mecanizado. Cuando hablamos de la precisión de estos dispositivos, no nos referimos a la calidad del dispositivo en sí mismo, sino a su capacidad para cumplir tres objetivos medibles:
Para contextualizar, la precisión de un dispositivo de sujeción se evalúa en relación con la precisión de la máquina CNC que lo usa. Por ejemplo, una máquina como el centro de mecanizado vertical GA-DV750 de Gree CNC tiene una precisión de posicionamiento de 0,003 mm y una repetibilidad de 0,0024 mm; un dispositivo de sujeción para esta máquina debe ser lo suficientemente preciso como para no limitar el rendimiento de la máquina.
La precisión de los dispositivos de sujeción afecta directamente tres aspectos clave de la manufactura: la función de la pieza, la eficiencia del ensamblaje y los costos de producción.
Muchas piezas requieren tolerancias extremadamente ajustadas para funcionar correctamente. Por ejemplo, un componente de un motor de avión que debe encajar con un margen de 0,005 mm o un engranaje que debe alinearse perfectamente para evitar desgaste prematuro. Si el dispositivo de sujeción desvía la pieza en 0,004 mm durante el mecanizado, la pieza no cumplirá con las especificaciones, incluso si la máquina CNC funciona a la perfección.
Las piezas que se mecanizan con dispositivos de sujeción imprecisos suelen tener desviaciones en sus dimensiones o alineación. Esto obliga a los equipos de ensamblaje a realizar ajustes manuales, como limar superficies o usar espaciadores, lo que aumenta el tiempo de ensamblaje y reduce la calidad del producto final. En líneas de ensamblaje automatizadas, una desviación de la pieza puede incluso detener la producción.
Los errores en los dispositivos de sujeción generan costos de varias formas:
Por ejemplo, un dispositivo de sujeción para el centro de mecanizado de 5 ejes GA-UHD500 de Gree CNC, que tiene una precisión de posicionamiento de 0,006 mm, debe ser capaz de mantener la pieza dentro de esa tolerancia para evitar desperdicios de piezas de alto valor.
La precisión de los dispositivos de sujeción se evalúa mediante métodos prácticos de taller, cada uno con sus propios límites de precisión y requisitos de recursos.
Este es el método más común para medir la repetibilidad de localización. Consiste en sujetar una pieza de referencia (una pieza maestra de alta precisión) en el dispositivo, medir su posición con un comparador de carátula, retirar la pieza y volver a sujetarla, y repetir el proceso varias veces. La diferencia entre las mediciones indica la repetibilidad del dispositivo.
Límite de precisión: ±0,001 mm, dependiendo de la calidad del comparador y la habilidad del operador. Aplicación típica: Dispositivos de sujeción para piezas de tamaño pequeño a mediano, como las que se mecanizan en el centro de taladrado y roscado GA-VT540 de Gree CNC.
Para evaluar la localización absoluta y la repetibilidad en 3D, se usa una MMC. Este método implica medir la posición de la pieza maestra en el dispositivo en tres dimensiones, retirarla y volver a sujetarla, y comparar las mediciones.
Límite de precisión: ±0,0005 mm para piezas pequeñas, aumentando con el tamaño de la pieza. Aplicación típica: Dispositivos de sujeción para piezas de alta precisión, como las que se mecanizan en el centro de mecanizado de 5 ejes GA-FA500 de Gree CNC.
Muchas máquinas CNC tienen sondas de medición integradas que permiten medir la posición de la pieza directamente en el dispositivo durante el mecanizado. Este método se usa para verificar la localización de la pieza antes de iniciar el mecanizado.
Límite de precisión: ±0,002 mm, dependiendo de la precisión de la máquina. Aplicación típica: Dispositivos de sujeción para lotes grandes de piezas, como las que se mecanizan en el centro de mecanizado vertical GA-MV856 de Gree CNC.
Para lograr la precisión requerida, los dispositivos de sujeción se diseñan con elementos de localización precisos, como pasadores de posición, superficies de apoyo mecanizadas y sistemas de sujeción que generan fuerzas uniformes. Por ejemplo, un dispositivo para el centro de mecanizado vertical de doble husillo GA-MVD2560 de Gree CNC, que tiene una repetibilidad de ±0,003 mm por cada 500 mm de recorrido, debe tener elementos de localización que mantengan esa alineación incluso para piezas de gran tamaño.
Los errores en los dispositivos de sujeción se originan en varias fuentes, que se combinan para formar el presupuesto de error del dispositivo. El presupuesto de error es la suma de todos los errores individuales que afectan la precisión del dispositivo, expresados como valores numéricos.
Este error se origina en la diferencia entre la posición de referencia de la pieza y la posición de los elementos de localización del dispositivo. Por ejemplo, si un pasador de posición tiene un diámetro de 10,002 mm y el agujero de la pieza tiene un diámetro de 10,005 mm, el espacio entre el pasador y el agujero genera un error de localización de hasta 0,003 mm.
Este error se origina en las variaciones en la posición de la pieza cada vez que se sujeta. Por ejemplo, si la fuerza de sujeción varía de un ciclo a otro, la pieza puede desviarse ligeramente de su posición. La repetibilidad de localización se expresa como la diferencia máxima entre las posiciones de la pieza en varias sujeciones.
El desgaste es una fuente de error que aumenta con el tiempo. Los elementos de localización, como pasadores y superficies de apoyo, se desgastan por el contacto repetido con las piezas. Por ejemplo, un pasador de posición que se usa para sujetar miles de piezas puede desgastarse hasta 0,001 mm por año, lo que aumenta el error de localización.
Las fuerzas de corte y la fuerza de sujeción pueden deformar el dispositivo o la pieza, generando desviaciones de posición. Por ejemplo, un dispositivo de sujeción para una pieza de aluminio delgado puede deformarse bajo la fuerza de sujeción, desviando la pieza en 0,002 mm.
Las variaciones de temperatura en el taller generan expansión o contracción de los materiales del dispositivo y la pieza. Por ejemplo, un dispositivo de acero puede expandirse 0,001 mm por cada grado Celsius de aumento de temperatura, lo que afecta la posición de la pieza.
El presupuesto de error de un dispositivo de sujeción es la suma de todos estos errores. Por ejemplo, un dispositivo para el centro de mecanizado de 5 ejes GA-UHD500 de Gree CNC puede tener un presupuesto de error de 0,004 mm, que se compone de 0,001 mm de error de localización, 0,001 mm de error de repetibilidad, 0,0005 mm de error por desgaste, 0,001 mm de error por deformación y 0,0005 mm de error por temperatura.
La evaluación de la precisión de los dispositivos de sujeción tiene varias limitaciones que es importante reconocer para evitar sobreconfianza.
Los métodos de medición de la precisión se realizan en condiciones controladas, sin las fuerzas de corte, vibraciones y variaciones de temperatura que se presentan durante el mecanizado real. Por ejemplo, un dispositivo que tiene una repetibilidad de 0,001 mm en mediciones de laboratorio puede tener una repetibilidad de 0,003 mm durante el mecanizado de una pieza de acero duro, debido a las fuerzas de corte.
Las mediciones de precisión se realizan en dispositivos nuevos o recién mantenidos. No predicen cómo el desgaste afectará la precisión del dispositivo con el tiempo. Por ejemplo, un dispositivo que cumple con las especificaciones de precisión en su primera medición puede dejar de cumplirlas después de 10.000 ciclos de sujeción, debido al desgaste de los elementos de localización.
La precisión de un dispositivo de sujeción depende de su compatibilidad con la máquina CNC que lo usa. Por ejemplo, un dispositivo diseñado para el centro de mecanizado vertical GA-DV750 de Gree CNC, que tiene una precisión de posicionamiento de 0,003 mm, no funcionará correctamente en el centro de mecanizado GA-MV856, que tiene una precisión de posicionamiento de 0,010 mm, ya que el dispositivo limitará el rendimiento de la máquina.
Muchos fabricantes creen que si un dispositivo cumple con las especificaciones de precisión, no habrá errores en las piezas. Sin embargo, el presupuesto de error del dispositivo es solo una parte del presupuesto de error total del proceso de mecanizado, que también incluye la precisión de la máquina, la precisión de la herramienta y las variaciones en el material de la pieza.
| Método de medición | Precisión típica | Esfuerzo requerido | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Comparador de carátula | ±0,001 mm | Bajo: equipo económico, operador capacitado | Dispositivos para piezas pequeñas a medianas, lotes pequeños |
| Máquina de medición por coordenadas (MMC) | ±0,0005 mm | Alto: equipo costoso, personal especializado | Dispositivos para piezas de alta precisión, lotes grandes |
| Sonda de máquina integrada | ±0,002 mm | Medio: equipo incluido en la máquina, programación sencilla | Dispositivos para lotes grandes, verificación en proceso |
Para aplicar correctamente los conceptos de precisión de dispositivos de sujeción, siga esta lista de verificación:
¿Cuánto desgaste es aceptable en un dispositivo de sujeción? El desgaste aceptable depende del presupuesto de error del dispositivo. Por ejemplo, si el presupuesto de error permite un error de desgaste de 0,001 mm, el desgaste máximo permitido es de 0,001 mm. Es importante medir el desgaste periódicamente y reemplazar los elementos de localización cuando alcancen ese límite.
¿Cómo afecta el tamaño de la pieza a la precisión del dispositivo? A medida que aumenta el tamaño de la pieza, aumenta el error por temperatura y el error por deformación. Por ejemplo, un dispositivo para una pieza de 2 metros de largo puede tener un error por temperatura de 0,002 mm por grado Celsius, mientras que un dispositivo para una pieza de 10 cm de largo puede tener un error por temperatura de 0,0001 mm por grado Celsius.
¿Es necesario medir la precisión del dispositivo después de cada cambio de lote? No es necesario medir la precisión después de cada cambio de lote, a menos que el dispositivo se desmonte o se modifique. Sin embargo, es recomendable verificar la posición de la pieza con una sonda de máquina antes de iniciar el mecanizado de cada lote, para detectar errores de localización.
¿Qué pasa si el presupuesto de error del dispositivo es mayor que la precisión de la máquina? Si el presupuesto de error del dispositivo es mayor que la precisión de la máquina, el dispositivo limitará el rendimiento de la máquina. Por ejemplo, si una máquina tiene una precisión de posicionamiento de 0,003 mm y el dispositivo tiene un presupuesto de error de 0,005 mm, la precisión total del proceso será de 0,005 mm, lo que no aprovecha la capacidad de la máquina.
¿Cómo se reduce el error por desgaste en los dispositivos de sujeción? El error por desgaste se reduce mediante el uso de materiales resistentes al desgaste para los elementos de localización, como acero endurecido o carburo de tungsteno, y mediante el diseño de elementos de localización que se pueden reemplazar fácilmente. También se reduce mediante el mantenimiento periódico, que incluye la limpieza y lubricación de los elementos de localización.
