Planificación del proceso de mecanizado del cigüeñal: principios y selección de puntos de referencia

Principios de planificación del proceso de fabricación del cigüeñal y selección de puntos de referencia

Principios de diseño de procesos y rutas

1. Establece primero los puntos de referencia: En la planificación del proceso, la primera o la segunda operación deberían, siempre que sea posible, mecanizar los puntos de referencia de precisión del cigüeñal. De este modo, las operaciones posteriores podrán utilizar dichos puntos de referencia para ubicar la pieza, lo que facilitará garantizar la precisión de otras superficies.
2. Superficies mecanizadas antes de los orificios: Cuando sea necesario realizar orificios en los muñones del cigüeñal o en las caras de las bridas, mecanice primero los muñones y las caras de las bridas y, a continuación, mecanice los orificios en dichas superficies. De este modo, resulta más fácil garantizar la precisión de los orificios.
3. Mecaniza primero las superficies principales y después las secundarias: La planificación del proceso debe centrarse en las superficies importantes de los muñones principales y de los muñones del cigüeñal. Las superficies secundarias pueden incluirse entre estas operaciones.
4. Desbaste antes del acabado, con operaciones de desbaste y acabado separadas: Los objetivos de separar el mecanizado en bruto del de acabado son los siguientes.
   1. Garantizar la calidad del mecanizado: Durante el mecanizado en bruto, el gran margen de material genera elevadas fuerzas de corte y calor de corte. Por lo tanto, el sistema de mecanizado sufre deformaciones elásticas y térmicas, así como elevadas tensiones residuales en la pieza. El mecanizado en bruto no permite alcanzar una alta precisión ni una baja rugosidad superficial. Las operaciones posteriores deben reducir gradualmente los parámetros de corte y los errores de mecanizado para cumplir con los requisitos de calidad de la pieza. En el caso de piezas en bruto con tensiones internas residuales, el mecanizado en bruto puede redistribuir dichas tensiones y provocar deformaciones con el paso del tiempo. Separar el mecanizado en bruto del de acabado evita que las deformaciones relacionadas con las tensiones afecten al mecanizado de acabado; además, las deformaciones restantes pueden eliminarse en etapas posteriores de mecanizado de acabado.
   2. Detectar a tiempo los defectos de espacios en blanco: El mecanizado en bruto elimina un gran margen de material y permite detectar a tiempo los defectos de la pieza en bruto, lo que permite desecharla o repararla a tiempo y evita el desperdicio que supondría continuar con el mecanizado.
   3. Utiliza las máquinas-herramienta de forma adecuada: El mecanizado de desbaste puede realizarse con máquinas de gran potencia y rigidez, pero de precisión moderada, mientras que el mecanizado de acabado se lleva a cabo con máquinas de alta precisión. De este modo se aprovecha al máximo la capacidad de cada máquina. La separación entre el desbaste y el acabado se aplica tanto al proceso de una sola superficie como al proceso completo de la pieza. A medida que la precisión de las piezas fundidas y forjadas para las piezas en bruto de la automoción moderna sigue mejorando y el margen de material total disminuye, la distinción entre las fases de desbaste y acabado se está volviendo menos marcada.
5. Organizar de forma racional las operaciones de tratamiento térmico y los procesos de refuerzo superficial.
6. Los cigüeñales son piezas esbeltas, por lo que debe minimizarse la deformación debida al mecanizado. La planificación del proceso de mecanizado de los cigüeñales suele seguir estos principios: desbaste antes que acabado; punto de referencia antes que otras características; superficies antes que orificios; superficies principales antes que superficies secundarias; y muñones principales antes que muñones de manivela.

A la hora de elaborar un plan de proceso, deben tenerse en cuenta otros principios: la compatibilidad con el programa de producción, el mejor resultado económico y la adopción activa de nuevos procesos y tecnologías adecuados al programa de producción.

Un plan de proceso se evalúa principalmente en función de tres criterios: calidad, coste y plazo de entrega.

Desarrollo general del proceso y la ruta

En el caso de un cigüeñal integral, los principales materiales de partida son el acero forjado y el hierro fundido nodular. Los procesos habituales son los siguientes:

• Cigüeñal de acero forjado: preparación de la pieza en bruto, forjado, normalización, mecanizado en bruto, temple y revenido superficial, y mecanizado de acabado.
• Cigüeñal de hierro fundido nodular: fundición, normalización, templado, mecanizado en bruto, temple y revenido superficial, y mecanizado de acabado.

Desarrollo del proceso de mecanizado de desbaste

Entre los métodos habituales de mecanizado en bruto del cigüeñal se incluyen el torneado, el fresado interno, el torneado-brochado y el torneado-torneado-brochado. Actualmente se utilizan los cuatro métodos. El método elegido depende del producto, el volumen de producción, el tiempo de ciclo, los requisitos del proceso y la inversión.

Girando: ofrece la mayor versatilidad. Fresado interior: Es adecuado para el mecanizado de muñones de cigüeñal y de los laterales de las alas del cigüeñal, especialmente cuando la pieza en bruto tiene un amplio margen de material. Brocado por torneado: plantea grandes exigencias a la pieza en bruto y se adapta mal a los cambios de producto, por lo que resulta adecuada para la producción a gran escala de un único producto. Brochado por giros sucesivos: combina el torneado y el brochado por torneado; su precisión alcanza el nivel del brochado por torneado, su eficiencia es inferior a la del fresado interno y su flexibilidad es mayor que la del brochado por torneado y la del fresado interno.

El cigüeñal 4H utiliza una combinación de torneado y fresado interno para el mecanizado en bruto.

Desarrollo del proceso de rectificado

Secuencia de rectificado y calidad del mecanizado: No hay una respuesta definitiva sobre si conviene rectificar primero los muñones principales o los muñones del cigüeñal.

1. Rectificado de los muñones principales, seguido del rectificado de los muñones del cigüeñal: La liberación de tensión provocada por el rectificado de los pasadores del cigüeñal puede hacer que la excentricidad del muñón principal supere la tolerancia, lo cual resulta difícil de controlar.
2. Rectificado de los muñones del cigüeñal, seguido del rectificado de los muñones principales: La conversión del punto de referencia puede provocar que el error del radio de la manivela supere la tolerancia; además, resulta difícil de controlar y requiere equipo adicional.

A medida que avanzan las tecnologías de mecanizado en bruto y templado de los muñones del cigüeñal, el margen de rectificado se ha reducido considerablemente. La deformación y la tensión provocadas por el rectificado son menores, y el rectificado de precisión de los muñones puede realizarse en una sola pasada, lo que elimina la necesidad del rectificado de semiacabado y simplifica el proceso.

Las grietas y quemaduras producidas durante el rectificado, especialmente en las amplias superficies de empuje, la excentricidad de los muñones principales y la precisión posicional de los muñones del cigüeñal con respecto a los muñones principales —incluida la excentricidad radial, el radio del cigüeñal y el paralelismo— son aspectos clave a tener en cuenta en el diseño del proceso de rectificado.

Desde el punto de vista del proceso de fabricación, si el efecto de la fuerza de rectificado de los muñones de manivela sobre la deformación del cigüeñal puede controlarse dentro de la holgura admisible de los muñones principales, el rectificado de los muñones principales antes que el de los muñones de manivela constituye un proceso optimizado, con un procedimiento sencillo y una inversión reducida. Las operaciones destinadas exclusivamente a establecer la ubicación del proceso son actividades que no aportan valor añadido y deben reducirse o eliminarse.

Selección del punto de referencia para la orientación del cigüeñal

Tomando como ejemplo el cigüeñal de un motor 4H, este cuenta con cuatro muñones de manivela y cinco muñones principales. Para la selección de un punto de referencia radial en el cigüeñal de un motor en línea, pueden utilizarse como puntos de referencia radiales los orificios centrales de ambos extremos o los cojinetes principales, como la línea que une los centros del primer y el quinto cojinete principal o la línea que une los dos orificios centrales.

Se dispone de varios puntos de referencia axiales. Para limitar el movimiento axial y evitar la deriva axial provocada por las fuerzas axiales, se utilizan como puntos de referencia axiales el reborde —o superficie de empuje— del cuarto muñón principal y la superficie frontal del muñón de la brida.

Dado que el cigüeñal es una pieza compleja, también cuenta con varios puntos de referencia angulares, como el saliente angular del contrapeso del primer muñón principal, el primer muñón de cigüeñal y los orificios de referencia en la brida.

1. Selección del punto de referencia bruto del cigüeñal 4H: Las piezas en bruto del cigüeñal suelen tener forma curvada. Para garantizar que los orificios centrales de ambos extremos se taladren en los centros geométricos de las caras extremas, el punto de referencia de desbaste en dirección radial se selecciona a partir de los diámetros exteriores de los muñones cercanos a ambos extremos. El punto de referencia de posicionamiento axial son los rebordes situados a ambos lados del tercer muñón principal. Dado que las alas del cigüeñal a ambos lados del tercer muñón principal se encuentran en el centro del cigüeñal, utilizarlas como referencia aproximada reduce el error de posicionamiento en las demás alas. El saliente angular del contrapeso del primer muñón principal se selecciona como referencia angular aproximada.
2. Selección del punto de referencia de precisión del cigüeñal 4H: Dado que la superficie del cigüeñal es compleja, cuenta con múltiples puntos de referencia de precisión. A lo largo del proceso de mecanizado se utilizan dos de ellos: el más importante son los orificios centrales situados en ambos extremos, y el otro son el primer y el quinto muñón principal. También se dispone de varios puntos de referencia de precisión axiales, entre los que se incluyen los orificios centrales, la cara frontal del muñón de la brida y el reborde, o cara de empuje, del cuarto muñón principal. La mayor parte de la localización angular de precisión utiliza los orificios de proceso de la brida para restringir la libertad de rotación durante el rectificado de los muñones principales y de los muñones de manivela. El primer muñón de manivela también se utiliza ocasionalmente como punto de referencia de localización angular.