Logrando la Excelencia en Mecanizado: Equilibrando Productividad, Calidad y Costo

Introducción

Al producir una vasta gama de piezas a partir de materiales de pieza muy diferentes, los fabricantes utilizan una variedad de procesos de mecanizado. Sin embargo, el objetivo común de todos los fabricantes es crear un cierto número de piezas de una calidad deseada, en una cantidad específica de tiempo y a un costo apropiado.

Muchos fabricantes logran ese objetivo siguiendo un modelo de perspectiva estrecha que comienza con la selección y aplicación de herramientas y resolviendo problemas de forma reactiva. Invertir ese enfoque, sin embargo, puede reducir costos y aumentar la eficiencia. En lugar de esperar a que surjan problemas y luego hacer ajustes a operaciones de mecanizado individuales, los fabricantes deberían enfocarse primero en la planificación proactiva destinada a eliminar piezas rechazadas y tiempo de inactividad no planificado. Después de que se haya establecido un proceso estable y confiable, aplicar los conceptos de economía de producción puede ayudar a los fabricantes a encontrar un equilibrio entre tasa de producción y costos de manufactura. Luego, construyendo sobre la base de operaciones seguras y económicamente fuertes, los fabricantes pueden seleccionar herramientas y condiciones de corte que optimicen totalmente el proceso de mecanizado.

Economía de producción

Antes de tomar medidas para optimizar el corte de metal, es esencial que los procesos sean seguros y confiables, sin piezas defectuosas ni tiempo de inactividad no planificado. Lograr la seguridad del proceso requiere la creación de un entorno de producción estable. Las áreas que los fabricantes deben analizar incluyen mantenimiento de máquinas-herramienta, programación CAM, sistemas de sujeción de herramientas y aplicación de refrigerante. La automatización de manipulación de piezas, como sistemas de carga/descarga de palets o robóticos, también podría ser parte de la evaluación.

El arte y la ciencia de la economía de producción se centran en asegurar la máxima seguridad y predecibilidad del proceso de manufactura, manteniendo la mayor productividad y los menores costos de producción. Cuando el proceso y entorno de corte de metal son seguros y predecibles, la economía de producción se convierte en una búsqueda bidimensional: encontrar un equilibrio entre la producción de salida y los costos de manufactura que sea apropiado para la situación específica de un fabricante. Por ejemplo, en producción en masa de piezas simples, maximizar la salida a costos mínimos puede ser la consideración principal. Por otro lado, en manufactura de alta mezcla, bajo volumen de piezas complejas valiosas, el énfasis debe estar en la fiabilidad y precisión totales antes de abordar los costos de manufactura.

Micro versus macro

El enfoque tradicional para maximizar la salida de corte de metal involucra un modelo micro de perspectiva estrecha basado en la optimización de herramientas individuales en operaciones individuales. Los modelos macro, por otro lado, consideran los procesos de manufactura desde una perspectiva más amplia. Estos modelos se concentran en el tiempo total piso-a-piso requerido para producir una pieza de trabajo dada.

La relación entre los modelos económicos micro y macro puede compararse con la perspectiva de un artista al crear una pintura. El modelo micro se concentra en detalles individuales, de la misma manera que un artista se concentraría en pinceladas individuales. El modelo macro da un paso atrás y ve el proceso de producción de la pieza en su totalidad, como ver una pintura en su totalidad. Está claro que la atención al detalle es necesaria, pero no a costa de ignorar el propósito general del esfuerzo.

Costos ocultos

La fijación exagerada en el detalle puede distraer la atención del resultado final del proceso. Por ejemplo, es una desventaja reducir el tiempo de corte en diez segundos cuando se logra con una herramienta extra que añade diez minutos en tiempo de configuración e indexado. De manera similar, trabajar para lograr calidad de producto más allá de los requisitos del cliente aumentará costos y tiempo de producción. Casi en serio, uno podría preguntar: "¿Cuánto tiempo tomaría y cuánto costaría producir la peor pieza posible, que aún sea funcionalmente aceptable?".

Costos operativos

Los modelos para costos de mecanizado también pueden representar perspectivas micro y macro. Los micro-modelos consideran los procesos de corte desde un punto de vista estrecho, vinculando condiciones de corte directamente a costos de corte. Los modelos macro-económicos trabajan desde una perspectiva más amplia, enfatizando el tiempo total requerido para producir una pieza de trabajo dada.

Los fabricantes miden la tasa de producción de varias maneras, desde piezas completadas en un período de tiempo hasta la longitud total de tiempo requerida para terminar una operación. Muchos factores afectan la tasa de producción, incluyendo requisitos de geometría de pieza y características de material, flujo de producto a través de una instalación, aporte de personal, mantenimiento, equipos periféricos y problemas ambientales, de reciclaje y seguridad.

Algunos elementos de los costos de manufactura son fijos. La complejidad y material de la pieza generalmente dictan el tipo y número de operaciones de mecanizado requeridas para hacer una pieza. Los costos de adquisición y mantenimiento de las máquinas-herramienta de una instalación y la energía para hacerlas funcionar son básicamente costos fijos. Los costos laborales son algo más flexibles, pero son efectivamente fijos al menos a corto plazo. Estos costos deben compensarse con ingresos de la venta de componentes mecanizados. Aumentar la tasa de producción —la velocidad a la que las piezas de trabajo se convierten en productos terminados— puede compensar los costos fijos.

Optimización individual

Después de que el panorama general de productividad y eficiencia de costos de un proceso está equilibrado y optimizado en base macro, los fabricantes pueden lograr mejoras adicionales mediante la optimización cuidadosa de operaciones individuales. Las condiciones de corte —profundidad de corte, velocidad de avance y velocidades de corte— juegan un papel clave en el equilibrio entre productividad y costos. Cualquiera o todas las tres pueden contribuir a reducciones en el tiempo de mecanizado, pero el impacto de cada una en la fiabilidad del proceso varía ampliamente. La profundidad de corte esencialmente no tiene efecto en la vida de la herramienta. La velocidad de avance afecta ligeramente la vida de la herramienta. Sin embargo, el impacto de la velocidad de corte en la vida de la herramienta, así como en la fiabilidad del proceso de corte, es significativo.

Muchos gerentes de taller creen que simplemente aumentar las velocidades de corte producirá más piezas por período de tiempo y reducirá así los costos de manufactura. Usualmente eso es cierto, pero hay intercambios involucrados. En general, cuanto más rápido corre una operación, menos estable se vuelve. Las altas velocidades generan más calor que afecta tanto a la herramienta como a la pieza. El desgaste de la herramienta ocurre más rápido y es menos predecible, y el desgaste o vibración de la herramienta pueden causar que las dimensiones de la pieza varíen y el acabado superficial disminuya.

Una herramienta puede romperse y marcar la pieza. Además, un proceso que opera en los límites exteriores de la fiabilidad típicamente no puede funcionar desatendido o semi-desatendido, eliminando una fuente potencial de ahorro de mano de obra. Velocidades de corte extremadamente altas y parámetros de mecanizado agresivos pueden aumentar los costos de mantenimiento de la máquina e incluso el tiempo de inactividad resultante de fallos de la máquina.

Reconociendo estos temas, el ingeniero mecánico estadounidense F.W. Taylor, a principios del siglo XX, desarrolló un modelo para la determinación de la vida de la herramienta. El modelo muestra que para una combinación dada de profundidad de corte y avance hay una cierta ventana para velocidades de corte donde el deterioro de la herramienta es seguro, predecible y controlable. El modelo de Taylor hace posible cuantificar la relación entre velocidad de corte, desgaste de herramienta y vida de herramienta, equilibrando eficiencia de costos y productividad y proporcionando una imagen clara de la velocidad de corte óptima para una operación.

En general, los fabricantes deberían seleccionar las mayores profundidades de corte y las más altas velocidades de avance posibles para cada operación, sujetas a la estabilidad del sujeción de herramienta, fijación de pieza y máquina-herramienta, así como la potencia de la máquina-herramienta. La seguridad operacional, en cuanto a formación y evacuación de viruta, vibraciones y deformación de la pieza, también debe considerarse. Un enfoque equilibrado involucra velocidades de corte reducidas combinadas con aumentos proporcionales en velocidad de avance y profundidad de corte. Utilizar la mayor profundidad de corte posible reduce el número de pasadas de corte requeridas y thereby reduce el tiempo de mecanizado. La velocidad de avance también debería maximizarse, aunque los requisitos de calidad de pieza y acabado superficial pueden verse afectados por velocidades de avance excesivas. En la mayoría de los casos, aumentos en velocidad de avance y profundidad de corte mientras se mantienen o reducen las velocidades de corte producirán tasas de remoción de metal iguales a las logradas solo por velocidades de corte más altas.

Los costos de producción son la suma de costos de herramienta y costos de máquina. Con velocidades de corte crecientes, los tiempos de mecanizado se vuelven más cortos y los costos de máquina disminuyen. Sin embargo, a partir de un cierto punto, los costos totales aumentan porque la vida de herramienta más corta aumenta el costo de herramientas y tiempos de cambio de herramienta lo suficiente como para superar los ahorros en costo de máquina.

Cuando se ha alcanzado una combinación estable y confiable de velocidad de avance y profundidad de corte, las velocidades de corte pueden usarse para la calibración final de la operación. El objetivo es una velocidad de corte más alta que reduzca los costos de tiempo de máquina pero no aumente excesivamente los costos de herramientas de corte mediante desgaste acelerado.

Asuntos no relacionados con el corte

Los problemas ambientales y de seguridad representan factores cada vez más importantes en la economía de producción. Los fabricantes están bajo presión para conservar energía. El uso y eliminación de refrigerantes y aceites de corte está cada vez más regulado y es costoso. Un enfoque equilibrado de las condiciones de corte puede ayudar a los fabricantes a lidiar con estas y preocupaciones similares. Velocidades de corte más bajas combinadas con mayor velocidad de avance y menores profundidades de corte reducen la cantidad de energía requerida para remover metal. Las condiciones equilibradas también aumentan la vida de la herramienta, reduciendo el consumo y problemas de eliminación de herramientas. El menor consumo de energía resulta en generación reducida de calor, ofreciendo oportunidades para mecanizado con mínimo o cero refrigerante.

Conclusión

Adoptar conceptos de economía de producción requiere hacer un análisis general del entorno de mecanizado y aceptar formas de pensar que son contrarias a muchas prácticas establecidas de corte de metal. Pero, llevar a cabo las estrategias recomendadas puede mejorar el ahorro de costos y la calidad de la pieza y permitir una producción más respetuosa con el medio ambiente, mientras se mantiene la productividad y rentabilidad en un proceso de manufactura estable y confiable en general.

Perspectiva a nivel de instalación

Los beneficios de ver los procesos de mecanizado desde una perspectiva macro se extienden más allá de las operaciones individuales de corte de metal. Una vista amplia considera la interrelación de todos los pasos en la producción. Un ejemplo simplificado involucra dos máquinas-herramienta empleadas en serie para producir un componente. Si la máquina-herramienta A se optimiza para aumentar su salida pero los resultados de la máquina B no pueden mejorarse, las piezas de la primera máquina se quedarán esperando a la segunda como inventario semi-terminado, aumentando costos. En este caso, simplemente optimizar los costos de corte (en lugar de la salida) en la primera máquina reduciría el costo de mecanizado total mientras se mantiene la salida.

Por otro lado, en una situación donde la máquina B está inactiva esperando procesar piezas de la máquina A, aumentar la salida de la primera máquina aumentará la salida total. Mucho depende de si el flujo de producción del taller está organizado en secuencia de línea, lote o paralela.

Los costos de adquisición de máquinas-herramienta también pueden evaluarse en relación con el negocio general de un fabricante. Una situación típica involucra un taller corriendo una fresadora completamente cargada 40 horas a la semana y decidiendo reemplazarla con una máquina más cara, más sofisticada, de mayor velocidad. Sin embargo, cuando la nueva máquina está en marcha, pasa la mitad del tiempo inactiva.

El taller enfrenta el desafío y gasto de encontrar más trabajo para mantener ocupada la nueva máquina y justificar la inversión en ella. Además, el trabajo que aprovecha al máximo las capacidades de la nueva máquina puede no ser un buen ajuste con el resto de las operaciones o mercados del taller. El mejor camino habría sido examinar primero el panorama general y anticipar qué resultaría de la mayor salida de la nueva máquina. Una máquina menos costosa, menos avanzada, puede ser un mejor ajuste con los requisitos de piezas actuales y anticipados y volúmenes de producción. Emparejada con la máquina más antigua, una máquina-herramienta elegida más cuidadosamente también podría proporcionar flexibilidad y redundancia expandida para manejar tiempos de inactividad programados o no programados.

Tomar una vista comprehensiva de la optimización de procesos también puede involucrar acciones y análisis muy básicos y simples. El examen de herramientas usadas proporciona una vista amplia de lo que está sucediendo en un taller. Por ejemplo, si un taller generalmente usa insertos con filos de corte de 12 mm de largo pero los patrones de desgaste en las herramientas solo alcanzan 2 mm o 2,5 mm, el taller probablemente está usando insertos que son demasiado grandes para lo que hacen. Herramientas con filos de corte de 6 mm serían más que suficientes, y una herramienta con filo de corte de 6 mm es significativamente más barata que una con filo de 12 mm. Una observación tan simple puede reducir los costos de herramientas en un 50% sin afectar la productividad.

Publicado anteriormente en SecoTools.com.