Máquina herramienta
La máquina
herramienta es un tipo de máquina que
se utiliza para dar forma a piezas sólidas, principalmente metales.
Su característica principal es su falta de movilidad, ya que suelen ser
máquinas estacionarias. El moldeado de
la pieza se realiza por la eliminación de una parte del material, que se puede
realizar por arranque de viruta,
por estampado, corte oelectroerosión.
El término máquina
herramienta se suele reservar para herramientas que utilizan una fuente de energía distinta
del movimiento humano, pero también pueden ser movidas por personas si se
instalan adecuadamente o cuando no hay otra fuente de energía. Muchos
historiadores de la tecnología consideran que las auténticas máquinas
herramienta nacieron cuando se eliminó la actuación directa del hombre en el
proceso de dar forma o troquelar los distintos tipos de herramientas. Por
ejemplo, se considera que el primer torno que
se puede considerar máquina herramienta fue el inventado alrededor de 1751 por Jacques de Vaucanson,
puesto que fue el primero que incorporó el instrumento de corte en una cabeza
ajustable mecánicamente, quitándolo de las manos del operario.
Las máquinas
herramienta pueden utilizar una gran variedad de fuentes de energía. La energía
humana y la animal son opciones posibles, como lo es la energía obtenida a
través del uso de ruedas
hidráulicas. Sin embargo, el desarrollo real de las máquinas
herramienta comenzó tras la invención de la máquina de vapor,
que llevó a la Revolución Industrial.
Hoy en día, la mayor parte de ellas funcionan con energía eléctrica.
Las máquinas-herramienta
pueden operarse manualmente o mediante control automático. Las primeras
máquinas utilizaban volantes para
estabilizar su movimiento y poseían sistemas complejos de engranajes y palancas para
controlar la máquina y las piezas en que trabajaba. Poco después de la Segunda Guerra
Mundial se desarrollaron los sistemas de control numérico.
Las máquinas de control numérico utilizaban una serie de números perforados en
una cinta de papel o tarjetas
perforadas para controlar su movimiento. En los años
1960 se añadieron computadoras para
aumentar la flexibilidad del proceso. Tales máquinas se comenzaron a llamar
máquinas CNC,
o máquinas de Control Numérico por Computadora. Las máquinas de control
numérico y CNC pueden repetir secuencias una y otra vez con precisión, y pueden
producir piezas mucho más complejas que las que pueda hacer el operario más
experimentado.
Un torno es
una máquina herramienta que une varios elementos que permiten dar finos
acabados a los metales tratados en ella.
Por la forma de trabajar
las máquinas herramientas se pueden clasificar en tres tipos:
·
De desbaste o
desbastadoras, que dan forma a la pieza por arranque de viruta.
·
Prensas,
que dan forma a las piezas mediante el corte, el prensado o el estirado.
·
Especiales,
que dan forma a la pieza mediante técnicas diferentes, como por ejemplo, láser,
electroerosión, ultrasonido,
plasma, etc.
Entre las
máquinas convencionales tenemos las siguientes máquinas básicas:
·
Torno, es una de las
máquinas más antiguas y trabaja mediante el arranque de material, y una
herramienta de corte. Para ello la pieza gira, un carro en el que se sitúan las
herramientas se aproxima a la pieza provocando que esta se desgaste, obteniendo
partes cilíndricas o cónicas. Si se coloca una broca en
la posición correspondiente, se pueden realizar barrenos.
Hay varios tipos
de tornos: los paralelos, que son los convencionales; los de control numérico,
que están controlados por un sistema electrónico programable; los de levas, en
que el control se realiza mediante unas levas, éstos también son llamados
de decoletaje; los tornos revólver, que poseen
una torreta que gira, el revólver, en la cual se sitúan los diferentes útiles
de trabajo.
·
Taladros, destinados a
perforación, estas máquinas herramientas son, junto con los tornos, las más
antiguas. En ellas el trabajo se realiza por medio del giro de la herramienta y
la pieza permanece fija por medio de una prensa. El trabajo realizado
normalmente, en los taladros, es hecho por una broca que realiza el agujero
correspondiente. También se pueden realizar otras operaciones con diferentes
herramientas, como avellanar y escariar.
Un tipo especial
de taladradora son
las punteadoras que
trabajan con pequeñas muelas de esmeril u
otro material. Son utilizadas para operaciones de gran precisión y sus
velocidades de giro suelen ser muy elevadas.
·
Fresadora, con la
finalidad de la obtención de superficies lisas o de una forma concreta, las
fresadoras son máquinas complejas en las que es el útil el que gira y la pieza
la que permanece fija a una bancada móvil. El útil utilizado es la fresa,
que suele ser redonda con diferentes filos cuya forma coincide con la que se
quiere dar a la pieza a trabajar. La pieza se coloca sólidamente fijada a un
carro que la acerca a la fresa en las tres direcciones, esto es en los ejes X,
Y y Z.
Con diferentes
útiles y otros accesorios, como el divisor, se pueden realizar multitud de
trabajos y formas diferentes.
·
Pulidora,
trabaja con un disco abrasivo que
va eliminando el material de la pieza a trabajar. Se suele utilizar para los
acabados de precisión por la posibilidad del control muy preciso de la
abrasión. Normalmente no se ejerce presión mecánica sobre la pieza.
·
Limadora o
perfiladora, se usa para la obtención de superficies lisas. La pieza permanece
fija y el útil, que suele ser una cuchilla, tiene un movimiento de vaivén que
en cada ida come un poco a la pieza a trabajar, que cuenta con mecanismo de
trinquete que avanza automáticamente la herramienta (cuchilla).
·
Cepilladora,
al contrario de la perfiladora, en la cepilladora es la pieza la que se mueve.
Permite realizar superficies lisas y diferentes cortes. Se pueden poner varios
útiles a la vez para que trabajen simultáneamente.
·
Sierras,
son de varios tipos, de vaivén, circulares o de banda. Es la hoja de corte la
que gira o se mueve y la pieza la que acerca a la misma.
No realizan
arranque de viruta, dan forma al material mediante el corte o cizalla, el golpe
para el doblado y la presión. Suelen utilizar troqueles y
matrices como útiles. Los procesos son muy rápidos y son máquinas de alto
riesgo de accidente laboral.
·
Electroerosión,
las máquinas de electroerosión desgastan el material mediante chispas
eléctricas que van fundiendo partes
minúsculas del mismo. Hay dos tipos de máquinas de electroerosión: las de electrodos,
que realizan agujeros de la forma del electrodo o bien desgaste superficiales
con la forma inversa de la que tiene el electrodo, hace grabaciones; y las de
hilo que, mediante la utilización de un hilo conductor del
que saltan las chispas que desgastan el material, van cortando las pieza según
convenga. En ambos casos durante todo el proceso, tanto el útil como la pieza
están inmersos en un líquido no conductor.
·
Arco
de plasma, se utiliza un chorro de gas a
gran temperatura y presión para
el corte del material.
·
Láser, en este caso
es un potente y preciso rayo
láser el que realiza el corte vaporizando el
material a eliminar.
·
Ultrasónica,
haciendo vibrar un útil a
velocidades ultrasónicas,
por encima de los 20.000 Hz y
utilizando un material abrasivo y agua se van realizando el mecanizado de la
pieza por la fricción de las partículas abrasivas. Se usa para trabajar
materiales muy duros como el vidrio,
el diamante y
las aleaciones de carburos.
Los útiles
aplicados en las máquinas herramienta tiene una importancia capital para el
buen resultado del proceso a realizar. La calidad del material con el que están
construidos así como el afilado de estos son factores determinantes para la
precisión buscada y la duración del propio útil.
Una cuestión en
extremo importante es la refrigeración de la operación. Para ello es necesario
el prever un mecanismo que se encargue de refrigerar la zona de fricción. Esto
se realiza con un fluido llamado taladrina que es una mezcla de aceite y
agua.
La evolución del
hombre y en particular de su tecnología se ha basado en la utilización de
herramientas, éstas eran como la prolongación de las manos humanas. Las
primeras máquinas herramientas que aparecieron fueron los tornos y los
taladros, en principio muy rudimentarios y manuales. El movimiento se
proporcionaba manual y directamente al útil o al material que se quería
trabajar. El arco de violín fue ese primer embrión de máquina
herramienta cuyo origen se pierde en el tiempo.
En 1250 el
avance permitió dejar la manos libres para el trabajo al poder imprimir el
movimiento necesario con el pie mediante el artilugio de pedal y pértiga
flexible.
Leonardo da Vinci, diseño de una máquina para fabricar
lentes convexas.
A principios
del siglo XVI Leonardo
da Vinci tenía diseñadas tres máquinas fundamentales
para el acuñado de monedas: la laminadora,
la recortadora y
la prensa de
balancín. Sus diseños servirían de orientación para el desarrollo de máquinas
en el futuro. Por esta época se descubrió la combinación del pedal con un
vástago y una biela para conseguir el movimiento rotativo, que rápidamente se
aplicó a las ruedas de afilar y
poco más tarde a los tornos, a los cuales hubo que añadir un volante de inercia
para poder evitar el efecto alto y bajo que producen los
puntos muertos.
El torno va
perfeccionándose y sobre 1658 se le
añade el mandril y se comienza la mecanización de piezas de
acero, en 1693 todavía
no se había generalizado esa actividad.
En 1650,
el matemático francés Blaise
Pascal, enunció el principio de la prensa hidráulica,
pero no se utilizaría para aplicaciones industriales hasta1770,
año en el que Bramach patentaba en Londres una
prensa hidráulica. Años después se utilizaría en Francia para
el acuñado de moneda.
Los fabricantes
de relojes de los siglos XVII y XVIII ya utilizaban tornos y roscadoras que les
permitían obtener muy buenas precisiones. Destaca el diseño de roscadora hecho
por Jesé
Ramsden en 1777.
La rueda
hidráulica que proporcionaba movimiento a los molinos y a los martillos pilones
y fuelles de las ferrerías y
herrerías desde el siglo XIV y a las barrenadoras, poco después pasó a ser la
fuente de movimiento para los tornos y taladradoras que componían los talleres
de los siglos XVII y XVIII, hasta la llegada de la máquina de vapor
verdaderamente práctica que pudo ser construida por Watt gracias a la
mandrinadora que John Wilkinson realizó en 1775 que
lograba una tolerancia del "espesor de una moneda de seis peniques en
un diámetro de 72 pulgadas", precisión suficiente para el ajuste de la
máquina de Watt.
En el siglo
XVIII aparece la máquina de vapor,
siendo una de las causas de la revolución industrial y
del perfeccionamiento de las máquinas-herramienta. La rueda hidráulica queda
sustituida por la máquina de vapor y con ello el taller adquiere independencia
en su ubicación. El movimiento se distribuye mediante poleas a todas las
máquinas que lo componen, cosa que ya se había empezado a realizar con las
ruedas hidráulicas. También se adquiere independencia del tiempo atmosférico,
ya no se depende del caudal de los ríos.
A partir de este
momento comenzaría un proceso que dura hasta nuestro día: la necesidad de
diseñar máquinas precisas que permitan crear otras máquinas. Uno de los
principales fabricantes de máquinas-herramienta de aquellos tiempos, el
inglés Henry Maudslay,
sería el primero en darse cuenta de esta necesidad. Fue él el que introdujo
mejoras que garantizaron precisiones muy altas y robustez. La utilización de
bancadas metálicas y las placas guía para los carros porta-herramientas y los
husillos roscados-tuerca fueron el fundamento del aumento de precisión y
fiabilidad.
Para poder
apreciar la precisión de una máquina en un trabajo depreciando hay que tener la
herramienta precisa para la realización de la medida. El paso importante lo dio
en 1805Maudslay,
que ya cinco años antes había realizado el primer torno íntegro de metal con un
husillo guía patrón, el aparato medidor era un micrómetro al
cual llamó El señor Canciller y podía medir hasta la milésima de pulgada.
Durante el siglo
XIX el desarrollo de la máquina herramienta sería
tremendo. Los logros conseguidos por Maudslay fueron el comienzo de un sinfín
de máquinas diferentes que daban respuesta a las necesidades de las diferentes
industrias manufactureras y constructoras con el mecanizado de las piezas que
precisaban para su actividad. Así pues ante, por ejemplo, la necesidad de
planear planchas de hierro se construyó el primer cepillo puente. Los herederos
técnicos de Maudslay, Richard Roberts, James Nasmyth y Joseph
Whitworth, son los artífices de esta evolución de creación.
Roberts construye el cepillo puente, Nasmyth, la primera limadora, y en 1817 el alemán Dietrich
Uhlhöm realiza la prensa de acuñación de monedas,
gran avance en la fabricación de las mismas.
Las prensas se
perfeccionan en la segunda mitad del siglo XIX, cuando en 1867 aparece
la prensa de fricción, del francés Cheret, y tres años después la excéntrica de
la casa Blis & Williams de Estados
Unidos
Una máquina de fresado típica de la época
1900-1920. Construida por la Cincinnati Milling Machine Company de Cincinnati, Ohio,EE.UU..
El fresado nace
con la Guerra
de la Independencia de las colonias inglesas de América del Norte.
La necesidad de la producción de grandes cantidades de armamento que obligó a
su fabricación en serie, llevó a Ely Whitney a fabricar la primera fresadora
en 1818,
que 30 años después sería perfeccionada por el ingeniero Howe quien la dotaría
de movimientos en los tres ejes, también desarrolla una fresadora copiadora.
J. R. Brown introduce
el divisor en 1862 constituyendo
un importante avance. La fresadora alcanza el máximo desarrollo en 1884 cuando
la casaCincinnati de Estados
Unidos construye la fresadora universal, que
incorpora por vez primera un carnero cilíndrico desplegable axialmente. Otro
paso importante, antes de la automatización por control numérico,
fue la introducción del cabezal giratorio que permite trabajar en cualquier
plano entre el horizontal y el vertical producida en 1894 por
el francés Huré.
El torno
paralelo que desarrolló Whitworth en 1850 se
ha mantenido vigente hasta la actualidad y solo sufrió la mejora de la Caja
Norton introducida en1890 (Whitworth
también desarrollo el estándar de rosca que lleva su nombre).
En 1854 se
introdujo las torretas revólver en los tornos naciendo así el torno
revólver que posibilita la realización de diferentes
operaciones con un solo amarre de la pieza. Una variación de éstos fue la
introducción del trabajo en barra continua. Para 1898 ya
se habían desarrollado los tornos automáticos (que solucionaban las grandes
producciones de pequeñas piezas).
El liderazgo
inglés en el desarrollo y fabricación de máquinas herramienta pasó a principios
del siglo XX a los estadounidenses.
El desarrollo de
la herramienta va unido al de la propia máquina. Así pues en 1865 salen
las nuevas herramientas de acero
aleado, aumentando la capacidad de mecanizado y en 1843 se
realizan muelas de esmeril artificiales que permiten sustituir la obsoleta
piedra arenisca.
El
descubrimiento del acero
rápido en 1898 por
Taylor y White aumentó la velocidad de corte (la multiplicó por 3) y la
capacidad de desprendimiento de viruta (por más de 7).
La fabricación
de muelas desarrolla las rectificadoras, tanto cilíndricas como de superficie
plana. El descubrimiento del carburo de silicio en 1891 por Edward Goodrich
Acheson que proporcionó la oportunidad de desarrollar
máquinas con grandes velocidades de corte, abriendo de esta forma la
oportunidad a la construcción de máquinas mucho más precisas y potentes que
eran precisadas por la creciente industria automovilista.
El siglo XX debe
dividirse en dos períodos diferenciados, el que va de principio de siglo a
finales de la Segunda Guerra
Mundial y desde ésta a fin de siglo. Los avances son
muy diferentes, mientras que en la primera parte se mantiene el ritmo de siglo
XIX, que ya era alto, en la otra la tecnología progresa muy rápidamente, en
especial la electrónica, una nueva, la informática que permite, junto con el
conocimiento de materiales, unos cambios que se pueden considerar como
revolucionarios.
La electricidad
como fuente de movimiento ya se había desarrollado a finales del XIX. En el XX
los motores, de corriente
alterna y continua ocupan
el lugar de los ingenios de vapor y son los encargados de accionar las
transmisiones generales de los talleres industriales.
Antiguo micrómetro.
Para 1910 se
comienza a utilizar tolerancias de milésimas
de metro y se universaliza el micrómetro como
aparato de medida de precisión. Laindustria del
automóvil actúa como motor en el avance de las
tecnologías de las máquinas herramientas y de medidas de precisión. Las
exigencias de piezas intercambiables y de una precisión cada vez mayor hace que
se produzcan avances importantes, como el de la punteadora vertical con mesa de
coordenadas polares desarrollada por el suizo Perrenond Jacot que logra
precisiones hasta entonces inimaginables.
La incorporación
de diferentes tecnologías,
como los cabezales de cojinetes,
los rodamientos de
bolas o los husillos de bolas
hacen que se produzca un considerable aumento de la productividad en toda la
industria, en especial en la del automóvil.
Los avances en
materiales, fundamental para la fabricación de las herramientas de corte, sufre
un importante aporte en 1927 con la
aparición de la widia, presentada en la feria de Leipzig (Alemania)
por la empresa Krupp.
Los sistemas de
movimientos y de control se van complicando y mejorando con incorporación de
motores eléctricos locales, incluso para los diferentes ejes de una misma
máquina, controles hidraúlicos, neumáticos y
eléctricos.
En los
años años 1920 se
desarrolla el concepto de unidades autónomas de mecanizado y
con él el de la transferencia de pieza a mecanizar y la unión
de ambos da como resultado lamáquina transfer que
es un conjunto de unidades autónomas.
En 1943 el
matrimonio de científicos soviéticos Lazarenko descubre
y construye las primeras máquinas de electroerosión que se desarrollan a partir
de 1950 y
en especial de 1955 cuando los
estadounidenses logran realizar máquinas similares. La electroerosión tendría
otro avance espectacular al contar con las tecnologías electrónicas de control
de finales de siglo y desarrollarse la electroerosión por hilo.
En 1948 ya
se empiezan a desarrollar los primeros controles electrónicos para fresadoras.
Después de una investigación protagonizada por el Instituto
Tecnológico de Massachussets se logra
realizar un prototipo y presentarlo en 1952 (se
programaba mediante cinta perforada y la máquina podía efectuar movimientos
simultáneos coordinados en los tres ejes).
El desarrollo de
la electrónica permite
realizar, para comienzos de la década de los años
1970, controles electrónicos. Nace el concepto de control numérico que
se generaliza en los años 80 y se beneficia del nacimiento y avances de
la informática.
Con el control
numérico y su extensión a todo tipo de máquinas nace el concepto de centro de mecanizado,
que es una máquina que es capaz de realizar las funciones de otras de diferente
tipo, tornea, fresa, mandrina, taladra. Tiene un almacén de herramientas y es
capaz de posicionar la pieza a mecanizar en las diferente posiciones necesarias
y en las diferentes colocaciones. Todo ello con un control centralizado.
Las máquinas han
ganado en simplicidad mecánica, primero, y en electrónica, después, al pasar
los elementos de control de mecanismos mecánicos a eléctricos o electrónicos,
primero, y a programación, después. Como en el caso de la informática, el hardware es
sustituido por el software.
La unión de máquinas
individuales con elementos de transporte y colocación de las piezas, como robot o
pórticos, todos ellos controlados desde un sistema de control central y
coordinado crean células de
fabricación flexibles. A la
integración de la mecánica y la electrónica se le ha dado en llamar mecatrónica.
Junto al avance
de los sistemas de control se ha desarrollado otro, mucho más silencioso, en
referencia a los materiales de construcción de las propias máquinas,
desarrollándose plásticosy resinas de
dureza y flexibilidad excelentes y sistemas de motores planos que permiten
mejores rendimientos en los movimientos de las piezas y herramientas.
En cuanto a las
herramientas, los progresos en materiales cerámicos y
en los estudios de las formas geométricas han influido en un notable
rendimiento de las herramientas de corte que ha mejorado ostensiblemente el
trabajo realizado.
En España tiene
una gran tradición en la provincia de Guipúzcoa,
concretamente en las localidades como Éibar y Elgóibar. En esta última existe un museo
dedicado a este arte.1 y
una Escuela formativa2
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