Plantillas vs. Utillajes: Diferencias Clave y Claves de Diseño para la Excelencia en Fabricación

¿Cuál es la diferencia entre plantilla (jig) y utillaje (fixture)? Es común verlos juntos. Sin embargo, no son intercambiables a pesar de sus propósitos comparables. Examinar cómo se utilizan para mejorar la calidad de fabricación, reducir costos de producción y automatizar el trabajo nos ayudará a entender mejor las sutiles variaciones entre diversas tecnologías de fabricación.

Conceptos de fabricación innovadores como Sistema de Producción Lean, Manufactura Celular, Cambio Rápido de Matrices (SMED) y Análisis de Tiempo Takt se han introducido en el proceso de producción. Para estos enfoques innovadores, se requiere una gran cantidad de instrumentos y dispositivos de sujeción efectivos y de bajo costo. Siga leyendo para aprender más sobre la diferencia entre plantilla y utillaje.

¿Qué es una Plantilla (Jig)?

Las plantillas son herramientas utilizadas para sujetar y posicionar la pieza durante el proceso de producción, así como para guiar las herramientas de corte.

En otras palabras, una plantilla sujeta la pieza y guía la herramienta para aumentar la reproducibilidad, precisión y productividad de las piezas fabricadas.

Una plantilla de taladrado es un ejemplo común de plantilla. Guían el taladro mientras hace agujeros en las ubicaciones deseadas. El uso de plantillas de taladrado aumenta significativamente el ritmo de fabricación.

Tipos de Plantillas

A continuación se muestran los tipos de plantillas.

1. Plantilla de Plantilla (Template Jig)

El modelo más simple es la plantilla de plantilla. La placa, que tiene dos agujeros, sirve como plantilla para la pieza a mecanizar y se une a ella. Los agujeros de la plantilla se usan como guía para el taladro, y los agujeros en la pieza se taladran en las mismas posiciones relativas que los de la plantilla.

2. Plantilla de Placa (Plate Jig)

La plantilla de placa angular se usa para mejorar la plantilla de plantilla, se agregan agujeros de taladrado a la superficie de la plantilla. Con la plantilla de placa, se puede mantener un espaciado preciso de agujeros al taladrar componentes masivos.

3. Plantilla de Canal (Channel Jig)

Una plantilla de canal tiene una sección transversal que se asemeja a un canal. Girar la perilla moleteada posiciona y sujeta el componente dentro del canal. El casquillo de taladro sirve como guía para la herramienta.

4. Plantilla de Diámetro (Diameter Jig)

Taladrar agujeros radiales en una pieza cilíndrica o esférica puede hacerse con una plantilla de diámetro.

5. Plantilla de Hoja (Leaf Jig)

La carga y descarga puede lograrse con el uso de una hoja en la plantilla.

6. Plantilla de Anillo (Ring Jig)

Para taladrar agujeros en elementos con bridas circulares, se usa una plantilla de anillo. Los agujeros se taladran guiando la herramienta a través de casquillos de taladro mientras la pieza está firmemente sujeta al cuerpo del taladro.

7. Plantilla de Caja (Box Jig)

Este tipo de plantilla tiene un diseño tipo caja dentro del cual el artículo se sujeta firmemente para que pueda taladrarse o mecanizarse desde una variedad de ángulos al mismo tiempo.

¿Qué es un Utillaje (Fixture)?

Los utillajes se usan en herramientas de fabricación que permiten la automatización en el proceso de producción. Cuando se trata de procesos industriales automatizados, sería difícil encontrar uno sin utillajes. Utillajes que sujetan y guían automóviles durante el proceso de soldadura y ensamblaje.

Por ejemplo, es necesario para una línea de ensamblaje automotriz. Para verificar la calidad de los procesos de fabricación, también pueden emplearse para sujetar un producto en su lugar mientras un escaneo óptico o láser lo examina. Es casi imposible caminar por una instalación de producción sin encontrar algún tipo de utillaje.

Tipos de Utillajes

1. Utillaje de Torneado (Turning Fixture)

Los tornos tienen dispositivos típicos de sujeción de trabajo como platos y pinzas, entre centros y en mandriles o platos frontales, lo que facilita sujetar piezas regulares. Sin embargo, sujetar componentes de forma extraña puede ser un desafío.

En un plato de cuatro garras o usando mordazas blandas conformadas, proyectos simples de forma extraña también pueden retenerse en platos. En cambio, piezas con formas complejas deben mantenerse en su lugar con la ayuda de utillajes de torneado. Las piezas se aseguran en su lugar por estos utillajes, que típicamente se fijan en la nariz del husillo o un plato frontal.

2. Utillaje de Fresado (Milling Fixture)

Las piezas se sujetan en su lugar por utillajes de fresado, que comúnmente se fijan en la nariz del husillo o un plato frontal. La mesa se desplaza y posiciona en relación con el cortador para lograr los resultados deseados. Antes de comenzar el proceso, las piezas se colocan en la base del utillaje y se sujetan.

3. Utillaje de Brochado (Broaching Fixture)

Para localizar, sujetar y soportar piezas durante operaciones como brochado de chavetas y brochado de agujeros, estos utillajes se utilizan en una variedad de tipos de máquinas de brochado. Brochado de agujeros internos de tipo arrastre con una placa de sujeción como utillaje.

4. Utillaje de Rectificado (Grinding Fixture)

Las máquinas de rectificado emplean una variedad de utillajes para localizar, sujetar y soportar piezas mientras son rectificadas. Dispositivos de sujeción de trabajo como platos, mandriles y similares pueden usarse en conjunto con estos utillajes.

5. Utillaje de Mandrinado (Boring Fixture)

La construcción de este utillaje no necesita ser tan robusta como los utillajes de fresado porque nunca será sometido a las mismas cargas de corte pesadas a las que están expuestos los utillajes de fresado.

6. Utillaje de Indexado (Indexing Fixture)

Varios componentes deben mecanizarse en diversas superficies para que sus superficies mecanizadas o formas estén espaciadas uniformemente. Para fabricar tantas superficies como sea posible, estos elementos deben indexarse un número correspondiente de veces. Un mecanismo de indexado adecuado se construye dentro de los dispositivos de sujeción (plantillas o utillajes). Un utillaje de indexado es un utillaje que incluye un dispositivo que puede usarse para indexar datos.

7. Utillaje de Roscado (Tapping Fixture)

Para cortar roscas internas en agujeros taladrados, los utillajes de roscado están diseñados para sujetar y estabilizar componentes de trabajo idénticos. Piezas de forma desigual y desequilibradas siempre necesitarán el empleo de utillajes específicos, especialmente cuando se requiere roscado en masa.

8. Utillaje Dúplex (Duplex Fixture)

Un utillaje que sujeta dos componentes idénticos al mismo tiempo y les permite mecanizarse simultáneamente en dos estaciones diferentes se conoce como utillaje dúplex.

9. Utillaje de Soldadura (Welding Fixture)

Los utillajes para soldadura están destinados a mantener las estructuras soldadas sin distorsión durante el proceso, ya que sujetan y soportan los diversos componentes. El apriete debe ser ligero pero firme, y las partes de apriete deben colocarse lo suficientemente lejos del área de soldadura para que esto funcione. Para sobrevivir a las fuerzas de soldadura, el utillaje debe ser extremadamente sólido y rígido.

10. Utillaje de Ensamblaje (Assembly Fixture)

El propósito de estos accesorios es sujetar las diversas partes del ensamblaje en sus posiciones relativas correctas.

Plantillas vs. Utillajes: ¿Cuál es la Diferencia?

Plantilla vs utillaje, ¿cuál es la diferencia? Hay dos instrumentos principales usados en procesos de producción en masa: plantillas y utillajes. Es común que la gente use erróneamente los dos nombres como sinónimos, sin embargo, realizan funciones separadas.

Las plantillas guían la herramienta de corte a un punto determinado en la pieza que ha sido predeterminado. Una pieza se sujeta y posiciona con el uso de utillajes. A diferencia de una plantilla, los utillajes no sujetan la herramienta en su lugar sobre una pieza.

Cuando se comparan con los utillajes, las plantillas son más compactas y requieren menos peso para ser estables cuando se someten a altas presiones de corte y vibración. En contraste con los utillajes, las plantillas pueden sujetarse o fijarse a una mesa dependiendo de la tarea y no requieren herramientas adicionales.

¿Por Qué Son Importantes las Plantillas y Utillajes en el Mecanizado CNC?

La cuidadosa selección de plantillas y utillajes mejorará significativamente la economía del proceso de fabricación al permitir una operación fluida, producción simplificada y transición rápida de proceso. Las plantillas y utillajes ayudan a compensar las limitaciones de la máquina CNC al trabajar con una pieza. Están diseñados para proporcionar sujeción segura y mantener la fiabilidad de la ubicación de la pieza durante el proceso de mecanizado. A continuación se describen los diferentes roles del utillaje y sujeción para el mecanizado CNC personalizado:

1. Sujeción de Piezas

Uno de los propósitos principales de las plantillas y utillajes es proporcionar sujeción segura de la pieza durante el proceso de mecanizado. Están diseñados a medida para ajustarse a la pieza particular que se está mecanizando. Proporcionan sujeción personalizada siempre que una pieza necesite mantenerse en un ángulo específico o sujecionarse en una forma particular.

La sujeción personalizada fiable es crucial para prevenir inexactitudes no deseadas causadas por vibraciones y extracción de herramienta. Algunos ejemplos de utillajes usados para sujeción de piezas son tornillos de banco, platos, centros, utillajes de fresado y varias placas de sujeción.

2. Protección de Piezas

Un rol de las plantillas y utillajes es proteger la pieza de trabajo durante el mecanizado. Son de gran ayuda para mantener el acabado superficial deseado y mantener el runout (desviación circular) adecuado.

Manguitos, casquillos y utillajes de enmascaramiento se diseñan comúnmente para piezas personalizadas donde se controla el acabado superficial. Esto se hace para proteger la superficie de la pieza terminada de las virutas/metal swarf de diferentes procesos de mecanizado para la pieza de trabajo. Además, los centros de mecanizado personalizados están diseñados específicamente para atender piezas personalizadas con tolerancias estrictas en runout general.

3. Control de Ubicación / Prevención de Errores (Fool Proofing)

Las plantillas y utillajes son muy esenciales para mantener la precisión dimensional y de ubicación. Sujetan la pieza en la ubicación y orientación correctas durante el proceso de mecanizado. Por estas razones, hace que los utillajes sean una forma conveniente de incorporar prevención de errores en un proceso para minimizar errores debidos a factores humanos.

Los utillajes controlan la ubicación, orientación y estabilidad al restringir los grados de libertad en la pieza de trabajo. Esto se hace usando pasadores, abrazaderas, planos y sujetadores en el diseño del utillaje necesario. Los planos proporcionan soporte para la pieza, las abrazaderas permiten montaje ajustable teniendo la accesibilidad de ser desmontados, y los pasadores proporcionan control preciso de ubicación para características específicas.

En el mecanizado de piezas personalizadas, características como agujeros y ranuras se controlan en una ubicación específica donde podría ser difícil mecanizar debido a algunas restricciones de montaje, y por eso se diseñan los utillajes. Los utillajes son la forma más fiable de mecanizar características difíciles de piezas.

4. Consistencia de Piezas

Los utillajes hacen posible mecanizar múltiples piezas personalizadas manteniendo su calidad. Aseguran que la calidad sea consistente de pieza a pieza. Ejemplos de controles de características que necesitan consistencia son planitud, paralelismo, perpendicularidad.

5. Reducción de Preparación (Set-up)

Los utillajes son una gran forma de eliminar el tedioso proceso de inspección al cargar una pieza. Un utillaje diseñado para una pieza específica hace que todo el proceso CNC sea una operación "plug and play". El trabajo del operador será solo cargar la pieza parcialmente porque todo el control de ubicación y referenciación de piezas ya están gestionados dentro del utillaje. Muchos fabricantes de mecanizado CNC hacen esto en su proceso para ahorrar tiempo valioso de preparación para otros procesos que agregan valor. Algunos ejemplos de utillajes que reducen el tiempo de preparación son los utillajes SMED (cambio de matriz en un minuto), utillajes de fresado, mordazas blandas, utillajes de fresado hexagonal y muchos más.

Métodos Básicos y Pasos para Fabricar Plantillas y Utillajes

Preparación previa al diseño de plantilla y utillaje: información original incluyendo lo siguiente.

1. Aviso de diseño, diagrama de piezas terminadas, diagrama de pieza en bruto y ruta de proceso y otra información técnica.
   • Entender los requisitos de tecnología de procesamiento de cada proceso, programa de posicionamiento y sujeción, contenido de procesamiento del proceso anterior, situación de la pieza en bruto, torno usado en procesamiento, herramientas, calibres de inspección, margen de mecanizado y cantidad de corte, etc.
2. Entender el lote de producción y la necesidad de plantillas y utillajes. Determinar aproximadamente el número de plantillas y utillajes necesarios.
3. Entender los principales parámetros técnicos del torno usado, rendimiento, especificaciones, precisión y la estructura de la parte de conexión de la plantilla, tamaño de contacto, etc.
4. Existencias de material de la plantilla y utillaje. Los siguientes materiales se usan para fabricar plantillas y utillajes: acero endurecido, hierro fundido gris, plástico, carburo, resinas epoxi, acero inoxidable, bronce, acero de aleación de bajo punto de fusión. Puede seleccionar el material adecuado según el proyecto de procesamiento.

Consideraciones de Diseño de Plantillas y Utillajes

El diseño de plantillas y utillajes generalmente tiene una estructura única, dando la impresión de que la estructura no es muy compleja, especialmente ahora que el utillaje hidráulico está de moda, simplificando enormemente su estructura mecánica original, pero si el proceso de diseño no se considera en detalle, inevitablemente conducirá a problemas innecesarios. Por lo tanto, los siguientes puntos deben considerarse al diseñar plantillas y utillajes.

1. Margen de la pieza en bruto mecanizada: Si el tamaño de la pieza en bruto es demasiado grande, resultará en interferencia. Así que asegúrese de preparar un dibujo de pieza en bruto antes del diseño. Deje suficiente espacio.
2. Evacuación de virutas del utillaje: Debido al espacio de procesamiento limitado de la máquina herramienta, las plantillas y utillajes a menudo se diseñan para ser más compactos, lo que a menudo se ignora en el proceso de mecanizado: virutas generadas en el almacenamiento en puntos muertos del utillaje.
   • Otro problema es que puede provocar que la salida de fluido de virutas no sea fluida, trayendo muchos problemas al procesamiento futuro. Así que al inicio del proceso real se deben considerar los problemas que surgen en el proceso de mecanizado. Después de todo, la plantilla y el utillaje son para mejorar la eficiencia y facilitar la operación.
3. Accesibilidad general de la plantilla y utillaje: Descuidar la accesibilidad causará que el operador tenga dificultad para cargar la tarjeta, lo que consume tiempo y es laborioso.
4. Principio teórico básico del diseño de plantilla y utillaje: Cada conjunto de plantilla y utillaje tiene que pasar por innumerables acciones de sujeción y desbloqueo, por lo que puede ser capaz de cumplir los requisitos del usuario al principio.
   • La plantilla y el utillaje deben tener retención de precisión, así que no diseñe algo que vaya en contra del principio. Incluso si puede salirse con la suya en el momento, no será sostenible a largo plazo. Un buen diseño debe resistir el martilleo del tiempo.
5. Reemplazabilidad de los elementos de posicionamiento: Los elementos de posicionamiento se desgastan severamente. Así que debe considerarse para reemplazo rápido y fácil. Lo mejor es no diseñar para piezas más grandes.