Los grandes invento: Máquina herramienta
Taladradora
Este operario controla una enorme
taladradora mientras perfora una plancha metálica. La plancha está colocada
sobre unos pilares para que la taladradora pueda atravesarla y acabar el
agujero. Estas máquinas herramientas de gran tamaño se usan a menudo para
fabricar piezas de grandes proyectos de construcción, como barcos.
Máquina herramienta, máquina estacionaria
y motorizada que se utiliza para dar forma o modelar materiales sólidos,
especialmente metales. El modelado se consigue eliminando parte del material de
la pieza o estampándola con una forma determinada. Son la base de la industria
moderna y se utilizan directa o indirectamente para fabricar piezas de máquinas
y herramientas.
Estas máquinas pueden
clasificarse en tres categorías: máquinas desbastadoras convencionales, prensas
y máquinas herramientas especiales. Las máquinas desbastadoras convencionales
dan forma a la pieza cortando la parte no deseada del material y produciendo
virutas. Las prensas utilizan diversos métodos de modelado, como cizallamiento,
prensado o estirado. Las máquinas herramientas especiales utilizan la energía
luminosa, eléctrica, química o sonora, gases a altas temperaturas y haces de
partículas de alta energía para dar forma a materiales especiales y aleaciones
utilizadas en la tecnología moderna.
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HISTORIA
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Las máquinas herramientas
modernas datan de 1775, año en el que el inventor británico John Wilkinson
construyó una taladradora horizontal que permitía conseguir superficies
cilíndricas interiores. Hacia 1794 Henry Maudslay desarrolló el primer torno
mecánico. Más adelante, Joseph Whitworth aceleró la expansión de las máquinas
de Wilkinson y de Maudslay al desarrollar varios instrumentos que permitían una
precisión de una millonésima de pulgada (25 millonésimas de milímetro). Sus
trabajos tuvieron gran relevancia ya que se necesitaban métodos precisos de
medida para la fabricación de productos hechos con piezas intercambiables.
Las primeras pruebas de
fabricación de piezas intercambiables se dieron al mismo tiempo en Europa y en
Estados Unidos. Estos experimentos se basaban en el uso de calibres de
catalogación, con los que las piezas se podían clasificar en dimensiones prácticamente
idénticas. El primer sistema de verdadera producción en serie fue creado por el
inventor estadounidense Eli Whitney, quien consiguió en 1798 un contrato del
gobierno para producir 10.000 mosquetes hechos con piezas intercambiables.
Durante el siglo XIX se
alcanzó un grado de precisión relativamente alto en tornos, perfiladoras,
cepilladoras, pulidoras, sierras, fresadoras, taladradoras y perforadoras. La
utilización de estas máquinas se extendió a todos los países industrializados. Durante
los albores del siglo XX aparecieron máquinas herramientas más grandes y de
mayor precisión. A partir de 1920 estas máquinas se especializaron y entre 1930
y 1950 se desarrollaron máquinas más potentes y rígidas que aprovechaban los
nuevos materiales de corte desarrollados en aquel momento. Estas máquinas
especializadas permitían fabricar productos estandarizados con un coste bajo,
utilizando mano de obra sin cualificación especial. Sin embargo, carecían de
flexibilidad y no se podían emplear para varios productos ni para variaciones
en los estándares de fabricación. Para solucionar este problema, los ingenieros
se han dedicado durante las últimas décadas a diseñar máquinas herramientas muy
versátiles y precisas, controladas por ordenadores o computadoras, que permiten
fabricar de forma barata productos con formas complejas. Estas nuevas máquinas
se aplican hoy en todos los campos.
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MÁQUINAS HERRAMIENTAS CONVENCIONALES
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Torno, fresadora, cepilladora y
perfiladora
Esta selección de máquinas herramientas
básicas muestra diversos métodos para dar forma a una pieza. El tipo de tarea
suele determinar la herramienta empleada. Por ejemplo, para hacer una
agarradera redonda se usaría un torno, mientras que para hacer una tabla de
cocina se usaría una cepilladora. Para usar las máquinas herramientas de forma
eficaz, la pieza (como en el caso de la perfiladora) o la herramienta (como en
el caso de la cepilladora) deben permanecer estacionarias.
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Entre las máquinas herramientas
básicas se encuentran el torno, las perfiladoras, las cepilladoras y las
fresadoras. Hay además máquinas taladradoras y perforadoras, pulidoras, sierras
y diferentes tipos de máquinas para la deformación del metal.
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3.1
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Torno
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El torno, la máquina giratoria
más común y más antigua, sujeta una pieza de metal o de madera y la hace girar
mientras un útil de corte da forma al objeto. El útil puede moverse paralela o perpendicularmente
a la dirección de giro, para obtener piezas con partes cilíndricas o cónicas, o
para cortar acanaladuras. Empleando útiles especiales, un torno se puede
utilizar también para obtener superficies lisas, como las producidas por una
fresadora, o para taladrar orificios en la pieza.
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3.2
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Perfiladora
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La perfiladora se utiliza
para obtener superficies lisas. El útil se desliza sobre una pieza fija y
efectúa un primer recorrido para cortar salientes, volviendo a la posición
original para realizar el mismo recorrido tras un breve desplazamiento lateral.
Esta máquina utiliza un útil de una sola punta y es lenta, porque depende de
los recorridos que se efectúen hacia adelante y hacia atrás. Por esta razón no
se suele utilizar en las líneas de producción, pero sí en fábricas de
herramientas y troqueles o en talleres que fabrican series pequeñas y que
requieren mayor flexibilidad.
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3.3
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Cepilladora
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Esta es la mayor de las
máquinas herramientas de vaivén. Al contrario que en las perfiladoras, donde el
útil se mueve sobre una pieza fija, la cepilladora mueve la pieza sobre un útil
fijo. Después de cada vaivén, la pieza se mueve lateralmente para utilizar otra
parte de la herramienta. Al igual que la perfiladora, la cepilladora permite
hacer cortes verticales, horizontales o diagonales. También puede utilizar
varios útiles a la vez para hacer varios cortes simultáneos.
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3.4
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Fresadora
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En las fresadoras, la pieza
entra en contacto con un dispositivo circular que cuenta con varios puntos de
corte. La pieza se sujeta a un soporte que controla su avance contra el útil de
corte. El soporte puede avanzar en tres direcciones: diagonal, horizontal y
vertical. En algunos casos también puede girar. Las fresadoras son las máquinas
herramientas más versátiles. Permiten obtener superficies curvadas con un alto
grado de precisión y un acabado excelente. Los distintos tipos de útiles de
corte permiten obtener ángulos, ranuras, engranajes o muescas.
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3.5
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Taladradoras y perforadoras
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Máquinas herramientas comunes
Las máquinas herramientas más comunes
preparan las piezas para su posterior ajuste y uso. Las taladradoras,
pulidoras, prensas y perforadoras se utilizan mucho en la industria, y ejecutan
las tareas con más rapidez y precisión que si las realizara de forma manual un
trabajador.
Las máquinas taladradoras y
perforadoras se utilizan para abrir orificios, para modificarlos o para
adaptarlos a una medida o para rectificar o esmerilar un orificio a fin de
conseguir una medida precisa o una superficie lisa.
Hay taladradoras de distintos
tamaños y funciones, desde taladradoras portátiles a radiales, pasando por
taladradoras de varios cabezales, máquinas automáticas o máquinas de
perforación de gran longitud.
La perforación implica el
aumento de la anchura de un orificio ya taladrado. Esto se hace con un útil de
corte giratorio con una sola punta, colocado en una barra y dirigido contra una
pieza fija. Entre las máquinas perforadoras se encuentran las perforadoras de
calibre y las fresas de perforación horizontal y vertical.
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3.6
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Pulidora
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El pulido es la eliminación
de metal con un disco abrasivo giratorio que trabaja como una fresadora de
corte. El disco está compuesto por un gran número de granos de material
abrasivo conglomerado, en que cada grano actúa como un útil de corte minúsculo.
Con este proceso se consiguen superficies muy suaves y precisas. Dado que sólo
se elimina una parte pequeña del material con cada pasada del disco, las
pulidoras requieren una regulación muy precisa. La presión del disco sobre la
pieza se selecciona con mucha exactitud, por lo que pueden tratarse de esta
forma materiales frágiles que no se pueden procesar con otros dispositivos
convencionales.
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3.7
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Sierras
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Sierras circulares
Las sierras circulares son,
probablemente, las sierras mecánicas más utilizadas. En la imagen, una sierra
de este tipo corta un tronco antes de ser transportado a los aserraderos.
Las sierras mecánicas más
utilizadas se pueden clasificar en tres categorías, según el tipo de movimiento
que se emplea para realizar el corte: de vaivén, circulares o de banda. Las
sierras suelen tener un banco o marco, un tornillo para sujetar la pieza, un
mecanismo de avance y una hoja de corte.
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3.8
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Útiles y fluidos para el corte
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Dado que los procesos de
corte implican tensiones y fricciones locales y un considerable desprendimiento
de calor, los materiales empleados en los útiles de corte deben ser duros,
tenaces y resistentes al desgaste a altas temperaturas. Hay materiales que cumplen
estos requisitos en mayor o menor grado, como los aceros al carbono (los que
contienen un 1 o 1,2% de carbono), los aceros de corte rápido (aleaciones de
hierro con volframio, cromo, vanadio o carbono), el carburo de volframio y los
diamantes. También tienen estas propiedades los materiales cerámicos y el óxido
de aluminio.
En muchas operaciones de corte
se utilizan fluidos para refrigerar y lubricar. La refrigeración alarga la vida
de los útiles y ayuda a fijar el tamaño de la pieza terminada. La lubricación
reduce la fricción, limitando el calor generado y la energía necesaria para
realizar el corte. Los fluidos para corte son de tres tipos: disoluciones
acuosas, aceites químicamente inactivos y fluidos sintéticos.
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3.9
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Prensas
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Las prensas dan forma a las
piezas sin eliminar material, o sea, sin producir viruta. Una prensa consta de
un marco que sostiene una bancada fija, un pistón, una fuente de energía y un
mecanismo que mueve el pistón en paralelo o en ángulo recto con respecto a la
bancada. Las prensas cuentan con troqueles y punzones que permiten deformar,
perforar y cizallar las piezas. Estas máquinas pueden producir piezas a gran
velocidad porque el tiempo que requiere cada proceso es sólo el tiempo de
desplazamiento del pistón.
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4
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MÁQUINAS HERRAMIENTAS NO CONVENCIONALES
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Entre las máquinas herramientas
no convencionales se encuentran las máquinas de arco de plasma, las de rayo
láser, las de descarga eléctrica y las electroquímicas, ultrasónicas y de haz
de electrones. Estas máquinas fueron desarrolladas para dar forma a aleaciones
de gran dureza utilizadas en la industria pesada y en aplicaciones
aerospaciales. También se emplean para dar forma y grabar materiales muy
delgados que se utilizan para fabricar componentes electrónicos como los
microprocesadores.
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4.1
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Arco de plasma
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La mecanización con arco de
plasma utiliza un chorro de gas a alta temperatura y gran velocidad para fundir
y eliminar el material. El arco de plasma se emplea para cortar materiales
difíciles de seccionar con otros métodos, como el acero inoxidable y las
aleaciones de aluminio.
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4.2
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Láser
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Soldador láser
Un láser puede vaporizar metales a
temperaturas superiores a los 5.500 °C y soldar piezas como muestra la
fotografía. El láser es particularmente útil porque puede efectuar agujeros o
cortes en piezas metálicas sin deformarlas.
La mecanización por rayo
láser se consigue dirigiendo con mucha exactitud un rayo láser, para vaporizar
el material que se desea eliminar. Este método es muy adecuado para hacer
orificios con gran precisión. También puede perforar metales refractarios y
cerámicos y piezas muy finas sin abarquillarlas. Otra aplicación es la
fabricación de alambres muy finos.
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4.3
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Descarga eléctrica
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Este tipo de mecanización,
conocida también como erosión por chispa, utiliza la energía eléctrica para
eliminar material de la pieza sin necesidad de tocarla. Se aplica una corriente
eléctrica intensa entre la punta del útil y la pieza, haciendo que salten
chispas que vaporizan puntos pequeños de la pieza. Como no hay ninguna acción
mecánica, se pueden realizar operaciones delicadas con piezas frágiles. Este
método produce formas que no se pueden conseguir con procesos de mecanizado
convencionales.
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4.4
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Electroquímica
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La mecanización electroquímica
emplea también la energía eléctrica para eliminar material. Se crea una celda
electrolítica, utilizando el útil como cátodo y la pieza como ánodo y se aplica
una corriente de intensidad elevada pero de bajo voltaje para disolver el metal
y eliminarlo. La pieza debe ser de un material conductor. Con este tipo de
mecanización son posibles muchas operaciones, como grabar, marcar, perforar y
fresar.
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4.5
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Ultrasónica
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La mecanización ultrasónica
utiliza vibraciones de alta frecuencia y baja amplitud para crear orificios y
otras cavidades. Se fabrica un útil relativamente blando con la forma deseada y
se aplica contra la pieza con una vibración, utilizando un material abrasivo y
agua. La fricción de las partículas abrasivas corta poco a poco la pieza. Este
proceso permite mecanizar con facilidad aceros endurecidos, carburos, rubíes,
cuarzo, diamantes y vidrio.
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4.6
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Haz de electrones
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Este método de mecanización
utiliza electrones acelerados a una velocidad equivalente a tres cuartas partes
de la velocidad de la luz. El proceso se realiza en una cámara de vacío para
reducir la expansión del haz de electrones a causa de los gases de la
atmósfera. La corriente de electrones choca contra un área de la pieza
delimitada con precisión. La energía cinética de los electrones se convierte en
calor al chocar éstos contra la pieza, lo que hace que el material que se
quiere eliminar se funda y se evapore, creando orificios o cortes. Los equipos
de haz de electrones se suelen utilizar en electrónica para grabar circuitos de
microprocesadores.
