¿Cuáles son las tolerancias de las piezas mecanizadas?

En el ámbito del procesamiento mecánico CNC, la tolerancia de las piezas mecanizadas es un indicador crucial que influye directamente en el rendimiento, la precisión del ensamblaje y la vida útil del producto final. Tanto si es un fabricante que busca una producción consistente, un ingeniero que diseña componentes de precisión o un cliente que busca piezas mecanizadas a medida, comprender bien las tolerancias de las piezas es indispensable para el éxito de su proyecto. Este artículo profundiza en todos los aspectos clave de las tolerancias de las piezas mecanizadas, brindándole los conocimientos necesarios para dominar este parámetro técnico esencial.

La tolerancia se refiere al rango de variación admisible entre el tamaño, la forma y la posición reales de una pieza y su tamaño, forma y posición ideales para el diseño. En el mecanizado CNC real, producir una pieza que se ajuste perfectamente al diseño ideal es prácticamente imposible. Factores como la precisión de la máquina herramienta, el desgaste de la herramienta de corte, las propiedades del material y el entorno de procesamiento introducen ligeras desviaciones. Por lo tanto, establecer un rango de tolerancia razonable no es solo una opción, sino una necesidad.

Un sistema de tolerancia bien diseñado ofrece tres beneficios fundamentales:

▶ 1. Garantiza la intercambiabilidad de piezas : Cuando es necesario ensamblar varias piezas, los estándares de tolerancia uniformes permiten que los componentes de diferentes lotes o fabricantes encajen a la perfección. Esto elimina la necesidad de ajustes manuales que requieren mucho tiempo y reduce el riesgo de desechar piezas.

▶ 2. Controla los costos de producción : Una mayor precisión (es decir, un rango de tolerancia más reducido) exige equipos más avanzados, operadores altamente cualificados y tiempos de procesamiento más largos, lo cual incrementa los costos de producción. Al alinear las tolerancias con las necesidades funcionales reales del producto, las empresas pueden equilibrar la calidad y la rentabilidad.

▶ 3. Garantiza el rendimiento del producto : Las tolerancias influyen directamente en el funcionamiento de un producto. Por ejemplo, en el sistema de transmisión de equipos mecánicos, la tolerancia del ajuste del eje y el rodamiento afecta la precisión de rotación del sistema y los niveles de ruido. En las estructuras de sellado, la tolerancia de la superficie de sellado determina el efecto de sellado y la vida útil del producto.

Diversos factores influyen en las tolerancias de las piezas mecanizadas, y comprenderlos es crucial para optimizar los procesos de producción. A continuación, se presentan las categorías principales:

▶ 1. Precisión de la máquina herramienta

La máquina herramienta es la columna vertebral del mecanizado CNC, y su precisión establece el límite mínimo de tolerancia alcanzable para las piezas. La precisión de la máquina herramienta abarca tres aspectos clave:

Precisión geométrica : Se refiere a la precisión de la posición relativa y la forma de los componentes de la máquina (p. ej., rieles guía, husillo). Algunos ejemplos son la rectitud de los rieles guía y la coaxialidad del husillo.

●   Precisión de posicionamiento : mide la precisión con la que las partes móviles de la máquina (por ejemplo, banco de trabajo, poste de herramientas) alcanzan una posición específica.

●   Precisión de repetibilidad : evalúa la consistencia de las partes móviles de la máquina al regresar a la misma posición varias veces.

Las máquinas CNC de alta precisión (por ejemplo, aquellas con una precisión de posicionamiento de ±0,001 mm) pueden producir piezas con rangos de tolerancia estrechos, mientras que las máquinas de baja precisión solo son adecuadas para piezas que requieren tolerancias mayores.

▶ 2. Rendimiento y desgaste de las herramientas de corte

Las herramientas de corte entran en contacto directo con la pieza de trabajo durante el mecanizado, por lo que su rendimiento y estado de desgaste afectan significativamente la precisión del mecanizado y las tolerancias de la pieza.

●   Material de la herramienta : Opciones como el acero de alta velocidad, el carburo cementado y la cerámica determinan la dureza, la resistencia al desgaste y la resistencia térmica de la herramienta. Por ejemplo, las herramientas de carburo cementado ofrecen mayor dureza y resistencia al desgaste que las herramientas de acero de alta velocidad, manteniendo un rendimiento de corte estable durante el mecanizado a alta velocidad y con cargas pesadas, lo que garantiza tolerancias consistentes en las piezas.

●   Desgaste de las herramientas : A medida que las herramientas se desgastan, sus filos se desafilan, lo que aumenta la fuerza de corte y el calor. Esto provoca deformación térmica tanto de la pieza como de la herramienta, aumentando las desviaciones de tolerancia. Para mitigar esto, inspeccione regularmente el desgaste de las herramientas y reemplácelas con prontitud durante la producción.

▶ 3. Propiedades del material de la pieza de trabajo

Las propiedades del material de la pieza de trabajo, como la dureza, la elasticidad y la conductividad térmica, también afectan las tolerancias de la pieza:

●   Dureza : Materiales como el acero inoxidable y las aleaciones de titanio presentan una dureza elevada, lo que requiere una mayor fuerza de corte y acelera el desgaste de la herramienta. Esto dificulta el control de la tolerancia.

●   Elasticidad : Los materiales elásticos (p. ej., aleación de aluminio o de cobre) experimentan una recuperación elástica tras retirar la herramienta de corte. Esto provoca que el tamaño real de la pieza sea mayor que el del diseño, lo que compromete la precisión de la tolerancia.

●   Conductividad térmica : Los materiales con baja conductividad térmica (p. ej., las aleaciones de titanio) retienen el calor de corte durante el mecanizado, lo que provoca expansión térmica. Al enfriarse, la pieza se contrae, lo que genera desviaciones de tamaño y problemas de tolerancia.

▶ 4. Tecnología de procesamiento y parámetros

La elección de la tecnología de procesamiento y los parámetros en el mecanizado CNC juega un papel vital a la hora de determinar las tolerancias de las piezas:

●   Ruta de procesamiento : Es esencial una secuencia lógica de desbaste, semiacabado y acabado. El desbaste elimina la mayor parte del material para aumentar la eficiencia, mientras que el semiacabado y el acabado garantizan la precisión y las tolerancias. Saltarse el semiacabado (por ejemplo, pasar directamente del desbaste al acabado) puede resultar en una fuerza de corte excesiva durante el acabado, lo que provoca deformación de la pieza y el incumplimiento de los requisitos de tolerancia.

●   Parámetros de procesamiento : La velocidad de corte, la velocidad de avance y la profundidad de corte deben seleccionarse cuidadosamente:

Una velocidad de corte excesivamente alta aumenta el calor de corte, provocando una deformación térmica de la pieza de trabajo y de la herramienta.

Una velocidad de avance demasiado alta aumenta la rugosidad de la superficie, lo que afecta la precisión dimensional.

Una profundidad de corte demasiado profunda aumenta la fuerza de corte, lo que provoca vibraciones en la máquina y en la pieza de trabajo y reduce la precisión del mecanizado.

Ajuste siempre los parámetros en función del material de la pieza de trabajo, el tipo de herramienta y el rango de tolerancia requerido.

▶ 5. Habilidades y experiencia del operador

Si bien el mecanizado CNC está altamente automatizado, las habilidades y la experiencia del operador aún contribuyen a mantener las tolerancias de las piezas:

●   Familiaridad con la máquina y la herramienta : los operadores deben comprender el funcionamiento de la máquina CNC, el rendimiento de la herramienta y la tecnología de procesamiento de piezas.

●   Monitoreo en tiempo real : Durante el mecanizado, los operarios deben observar atentamente el proceso: verificar la forma de la viruta, detectar ruidos de corte anormales e inspeccionar la calidad de la superficie de la pieza. Si surgen problemas (p. ej., virutas irregulares o ruidos extraños), detenga la máquina inmediatamente para ajustarla y evitar desviaciones de tolerancia.

●   Depuración de máquinas : La habilidad para calibrar la longitud de la herramienta y configurar el sistema de coordenadas de la pieza influye directamente en la precisión. Los operadores experimentados pueden realizar la depuración con rapidez y precisión, garantizando que las piezas se mantengan dentro del rango de tolerancia especificado.

En el procesamiento mecánico CNC, las tolerancias de las piezas mecanizadas se clasifican principalmente en tres tipos según las características que controlan: tolerancia de tamaño, tolerancia de forma y tolerancia de posición.

▶ 1. Tolerancia de tamaño

La tolerancia de tamaño es el rango de variación admisible del tamaño real de una pieza con respecto a su tamaño básico (el tamaño especificado en el plano de diseño, que sirve de base para determinar el rango de tolerancia). Generalmente se define por la desviación superior e inferior:

●   Desviación superior : La diferencia entre el tamaño límite máximo y el tamaño básico.

●   Desviación inferior : La diferencia entre el tamaño límite mínimo y el tamaño básico.

●   Valor de tolerancia : el valor absoluto de la diferencia entre las desviaciones superior e inferior.

Ejemplo:

Si un eje tiene un tamaño básico de 50 mm, una desviación superior de +0,02 mm y una desviación inferior de -0,01 mm:

●   Tamaño límite máximo = 50 + 0,02 = 50,02 mm

●   Tamaño límite mínimo = 50 - 0,01 = 49,99 mm

●   Tolerancia de tamaño = 0,02 - (-0,01) = 0,03 mm

Esto significa que el tamaño real del eje después del mecanizado debe estar entre 49,99 mm y 50,02 mm para cumplir con los requisitos de tolerancia de tamaño.

La tolerancia de tamaño se divide además en dos subtipos:

●   Tolerancia unilateral : La zona de tolerancia se encuentra solo en un lado del tamaño básico (solo se especifica la desviación superior o inferior). Por ejemplo, para un agujero con un tamaño básico de 100 mm, una desviación superior de +0,05 mm y una desviación inferior de 0 mm, su tamaño real debe estar entre 100 mm y 100,05 mm.

●   Tolerancia bilateral : La zona de tolerancia se distribuye a ambos lados del tamaño básico (se especifican las desviaciones superior e inferior). Por ejemplo, para una varilla con un tamaño básico de 80 mm, una desviación superior de +0,03 mm y una desviación inferior de -0,02 mm, su tamaño real debe estar entre 79,98 mm y 80,03 mm.

▶ 2. Tolerancia de forma

La tolerancia de forma controla el rango de variación admisible de la forma real de una pieza con respecto a su forma ideal. Corrige errores de forma en las superficies, líneas y puntos de la pieza, con tipos comunes como:

●   Llanura

La planitud se refiere a la variación admisible de la superficie plana real de una pieza con respecto a una superficie plana ideal. Se utiliza para controlar las irregularidades de la superficie.       

Ejemplo : una placa rectangular (200 mm × 150 mm) con una tolerancia de planitud de 0,02 mm: todos los puntos de la superficie real de la placa deben estar entre dos planos ideales paralelos separados por 0,02 mm.

●   Rectitud

La rectitud es la variación admisible de la línea real de una pieza (p. ej., la generatriz de un cilindro, el borde de una placa) con respecto a una línea recta ideal. Puede medirse en un plano o en el espacio.

Ejemplo : Un riel guía de una máquina herramienta con una tolerancia de rectitud de 0,01 mm/m; dentro de cada metro del riel guía, la desviación máxima de la línea real con respecto a la línea recta ideal no debe superar los 0,01 mm.

●   Circularidad

La circularidad controla la variación admisible de la sección transversal real de una pieza (p. ej., la sección transversal de un eje o un agujero) con respecto a un círculo ideal. Corrige la falta de redondez.

Ejemplo : un eje con un diámetro de 30 mm y una tolerancia de circularidad de 0,005 mm, su sección transversal real debe estar entre dos círculos concéntricos con una diferencia de radio de 0,005 mm.

●   Cilindricidad

La cilindricidad es una tolerancia integral que controla la variación admisible de la superficie cilíndrica real de una pieza con respecto a una superficie cilíndrica ideal. Considera la circularidad, la rectitud generatriz y la coaxialidad de la sección transversal.

Ejemplo : un cilindro (50 mm de diámetro, 100 mm de longitud) con una tolerancia de cilindricidad de 0,01 mm (todos los puntos de su superficie cilíndrica real deben estar entre dos cilindros ideales coaxiales con una diferencia de radio de 0,01 mm).

▶ 3. Tolerancia de posición

La tolerancia de posición regula el rango de variación admisible de una característica de una pieza (p. ej., agujero, saliente, ranura) con respecto a su posición ideal (definida por una característica de referencia). Controla los errores de posición entre características o entre una característica y una referencia, con tipos comunes como:

●   Coaxialidad

La coaxialidad garantiza que el eje real de una característica de una pieza (p. ej., eje, agujero) se alinee con un eje de referencia ideal. Se utiliza para mantener la coincidencia de los ejes de varias características cilíndricas.

Ejemplo : un eje escalonado con dos secciones (40 mm y 30 mm de diámetro) y una tolerancia de coaxialidad de 0,008 mm (relativa al eje de la sección de 40 mm); el eje real de la sección de 30 mm debe estar dentro de un cilindro (0,008 mm de diámetro) coaxial con el eje de referencia.

●   Perpendicularidad

La perpendicularidad controla la variación admisible de una característica de una pieza (p. ej., plano, línea) con respecto a una dirección ideal perpendicular a una característica de referencia. Se aplica a las relaciones plano-plano, plano-línea y línea-línea.

Ejemplo : Un plano vertical con una tolerancia de perpendicularidad de 0,01 mm/m (con respecto a un plano de referencia horizontal): dentro de cada metro de altura, la desviación máxima del plano vertical real con respecto al plano perpendicular ideal no debe superar los 0,01 mm.

●   Paralelismo

El paralelismo garantiza que la dirección real de la característica de una pieza (p. ej., plano, línea) se alinee con una dirección ideal paralela a una característica de referencia. Al igual que la perpendicularidad, se aplica a las relaciones plano-plano, plano-línea y línea-línea.

Ejemplo : Una superficie de riel guía con una tolerancia de paralelismo de 0,005 mm/m (en relación con otra superficie de riel guía de referencia): dentro de cada metro de longitud, la desviación máxima de la superficie real del riel guía con respecto a la superficie paralela ideal no debe superar los 0,005 mm.

●   Posición

La tolerancia de posición define la variación admisible de una característica de una pieza (p. ej., un orificio o un saliente) con respecto a su posición ideal (establecida por un sistema de coordenadas a partir de características de referencia). Se utiliza ampliamente en piezas con múltiples orificios, salientes o características similares.

Ejemplo : un orificio de 10 mm de diámetro con una tolerancia de posición de φ0,02 mm (relativo a dos planos de referencia perpendiculares, que forman un sistema de coordenadas XY); el centro real del orificio debe estar dentro de un círculo (0,02 mm de diámetro) centrado en la posición ideal del orificio en el sistema XY.

●   Simetría

La simetría garantiza que la característica de una pieza (por ejemplo, ranura, protuberancia) esté posicionada simétricamente con respecto a un plano simétrico de referencia ideal.

Ejemplo : una ranura de 8 mm de ancho con una tolerancia de simetría de 0,01 mm (con respecto a un plano simétrico de referencia); la línea central real de la ranura debe estar entre dos planos paralelos (separados por 0,01 mm) que sean simétricos respecto del plano de referencia.

Tras el mecanizado CNC, detectar las tolerancias de las piezas es fundamental para verificar si cumplen con los requisitos de diseño. A continuación, se presentan los métodos de detección más comunes:

▶ 1. Detección manual con herramientas de medición generales

Las herramientas de medición generales se utilizan ampliamente para la comprobación manual de tolerancias, ya que son accesibles y fáciles de usar. Entre las herramientas comunes se incluyen:

●   Calibrador

Los calibradores (vernier, digitales o de dial) miden longitud, ancho, diámetro y profundidad.

Calibradores Vernier: Precisión típica de 0,02 mm o 0,05 mm.

Calibradores digitales/de cuadrante: Precisión hasta 0,01 mm.

Adecuado para piezas con rangos de tolerancia más amplios (por ejemplo, tolerancia de tamaño > 0,01 mm).

●   Micrómetros

Los micrómetros se especializan en mediciones de alta precisión de diámetro exterior, diámetro interior y espesor. Su precisión suele ser de 0,001 mm, superior a la de los calibradores. Son ideales para piezas con rangos de tolerancia pequeños (p. ej., tolerancia de tamaño < 0,01 mm), como ejes o arandelas de precisión.

●   Medidores de profundidad

Los medidores de profundidad miden la profundidad de agujeros, ranuras y elementos similares. Su precisión es similar a la de los calibradores (0,01 mm o 0,02 mm).

●   Indicadores de cuadrante

Los indicadores de carátula detectan errores de forma y posición (p. ej., planitud, rectitud, perpendicularidad, excentricidad). Se utilizan con herramientas auxiliares como soportes de medición y bloques en V para obtener mediciones precisas, con una precisión de 0,001 mm o 0,002 mm.

●   Galgas de espesores

Las galgas de espesores miden las holguras entre dos superficies (p. ej., entre el riel guía y la corredera, o entre la válvula y el asiento de la válvula). Consisten en un conjunto de láminas delgadas de acero con espesores marcados, con una precisión de 0,001 mm.

▶ 2. Detección avanzada con equipos de precisión

Para piezas que requieren una precisión ultraalta (por ejemplo, componentes aeroespaciales, dispositivos médicos), se necesita un equipo avanzado:

●   Máquina de Medición por Coordenadas (MMC) : Utiliza una sonda para medir las coordenadas 3D de las características de la pieza, lo que permite detectar con precisión las tolerancias de tamaño, forma y posición. Ofrece una precisión de hasta 0,0001 mm y es ideal para piezas complejas de alta precisión.

●   Comparadores ópticos : Proyectan una imagen ampliada de la pieza en una pantalla, lo que permite a los operadores comparar su forma real con una plantilla de referencia. Son ideales para detectar tolerancias de forma (p. ej., circularidad, rectitud) en piezas pequeñas.

●   Escáneres láser : Capturan rápidamente datos 3D de la superficie de la pieza, lo que permite un análisis exhaustivo de la tolerancia. Son eficaces para piezas grandes o complejas y pueden detectar errores de forma y posición.

Las tolerancias son un pilar fundamental del mecanizado CNC, ya que influyen en cada etapa, desde el diseño hasta la producción y el control de calidad. Al comprender su importancia, los factores que las afectan, los diferentes tipos y cómo detectarlas, podrá optimizar sus procesos de mecanizado, reducir costes y entregar piezas de alta calidad que cumplan o superen las expectativas del cliente. Tanto si es nuevo en el mecanizado CNC como si es un profesional con experiencia, dominar las tolerancias de las piezas es clave para mantenerse competitivo en la industria de la fabricación de precisión.