Máquina herramienta

Una máquina herramienta es una máquina para manipular o mecanizar metal u otros materiales rígidos, generalmente mediante corte, mandrinado , rectificado , cizallamiento u otras formas de deformación. Las máquinas herramienta emplean algún tipo de herramienta que realiza el corte o la conformación. Todas las máquinas herramienta cuentan con algún medio para sujetar la pieza de trabajo y proporcionan un movimiento guiado de las partes de la máquina. Por lo tanto, el movimiento relativo entre la pieza de trabajo y la herramienta de corte (que se denomina trayectoria de la herramienta ) está controlado o restringido por la máquina al menos en cierta medida, en lugar de ser completamente "a mano alzada" o " a mano libre ". Es una máquina de corte de metal accionada por motor que ayuda a gestionar el movimiento relativo necesario entre la herramienta de corte y la pieza de trabajo que cambia el tamaño y la forma del material. ^{[ 1 ]}

La definición precisa del término máquina herramienta varía según los usuarios. Si bien todas las máquinas herramienta son "máquinas que ayudan a las personas a fabricar cosas", no todas las máquinas de fábrica son máquinas herramienta.

Actualmente, las máquinas herramienta suelen funcionar con energía procedente de fuentes distintas a la fuerza muscular humana (por ejemplo, eléctrica, hidráulica o mediante un eje de transmisión ), y se utilizan para fabricar piezas (componentes) de diversas maneras, incluyendo el corte u otros tipos de deformación.

Gracias a su precisión inherente, las máquinas herramienta permitieron la producción económica de piezas intercambiables .

Muchos historiadores de la tecnología consideran que las verdaderas máquinas herramienta nacieron cuando la trayectoria de la herramienta comenzó a ser guiada por la propia máquina de alguna manera, al menos en cierta medida, de modo que la guía humana directa y a mano alzada de la trayectoria (con manos, pies o boca) dejó de ser la única guía utilizada en el proceso de corte o conformado. Desde esta perspectiva, el término, surgido en una época en la que todas las herramientas hasta entonces habían sido manuales , simplemente proporcionaba una etiqueta para "herramientas que eran máquinas en lugar de herramientas manuales". Los primeros tornos , los anteriores al final de la Edad Media , y los tornos modernos para trabajar la madera y los tornos de alfarero pueden o no ajustarse a esta definición, dependiendo de cómo se considere el husillo del cabezal ; pero los primeros registros históricos de un torno con control mecánico directo de la trayectoria de la herramienta de corte corresponden a un torno para roscar que data de alrededor de 1483. ^{[ 2 ]} Este torno "producía roscas de madera y empleaba un verdadero carro transversal compuesto". ^{[ 2 ]}

En la década de 1930, la Oficina Nacional de Investigación Económica de los Estados Unidos (NBER) hizo referencia a la definición de máquina herramienta como "cualquier máquina que funcione sin utilizar fuerza manual y que emplee una herramienta para trabajar metal". ^{[ 3 ]}

El sentido coloquial más estricto del término lo reserva únicamente para las máquinas que realizan el corte de metales; es decir, los diversos tipos de mecanizado y rectificado convencionales . Estos procesos son un tipo de deformación que produce virutas . Sin embargo, los economistas utilizan un sentido ligeramente más amplio que también incluye otros tipos de deformación de metales que comprimen el metal para darle forma sin generar virutas, como el laminado, el estampado con matrices , el cizallado, el recalcado , el remachado , entre otros. Por lo tanto , las prensas suelen incluirse en la definición económica de máquinas herramienta. Por ejemplo, esta es la amplitud de definición utilizada por Max Holland en su historia de Burgmaster y Houdaille , ^{[ 4 ]} que también es una historia de la industria de las máquinas herramienta en general desde la década de 1940 hasta la de 1980; reflejaba el sentido del término utilizado por la propia Houdaille y otras empresas del sector. Muchos informes sobre exportación e importación de máquinas herramienta y temas económicos similares utilizan esta definición más amplia.

El sentido coloquial que implica el corte convencional de metales también está quedando obsoleto debido a los cambios tecnológicos de las últimas décadas. Muchos de los procesos desarrollados más recientemente y denominados "mecanizado", como el mecanizado por descarga eléctrica , el mecanizado electroquímico , el mecanizado por haz de electrones , el mecanizado fotoquímico y el mecanizado ultrasónico , o incluso el corte por plasma y el corte por chorro de agua , suelen realizarse con máquinas que, lógicamente, podrían denominarse máquinas herramienta. Además, algunos de los procesos de fabricación aditiva de reciente desarrollo , que no consisten en eliminar material sino en añadirlo, se realizan con máquinas que probablemente acaben denominándose, en algunos casos, máquinas herramienta. De hecho, los fabricantes de máquinas herramienta ya están desarrollando máquinas que integran la fabricación sustractiva y aditiva en un mismo espacio de trabajo, ^{[ 5 ]} y se están llevando a cabo modernizaciones de máquinas existentes. ^{[ 6 ]}

En la ingeniería de precisión moderna, la exactitud de los componentes de las máquinas herramienta se mantiene a menudo mediante el uso de una junta Hirth . Este acoplamiento es el estándar de la industria para el posicionamiento de alta precisión en componentes como mesas giratorias CNC y torretas de herramientas. Su geometría de dientes rectos proporciona la máxima rigidez estática y repetibilidad posicional , lo que garantiza que la máquina mantenga una alineación a nivel micrométrico a la vez que resiste grandes fuerzas de corte durante el proceso de mecanizado. ^{[ 7 ]}

Entre los precursores de las máquinas herramienta se encontraban los taladros de arco y los tornos de alfarero , que existían en el antiguo Egipto antes del 2500 a. C., y los tornos , que se sabe que existían en varias regiones de Europa desde al menos el 1000 al 500 a. C. ^{[ 8 ]} Pero no fue hasta finales de la Edad Media y la Ilustración que comenzó a evolucionar el concepto moderno de máquina herramienta: una clase de máquinas utilizadas como herramientas en la fabricación de piezas metálicas, que incorporan una trayectoria de herramienta guiada por máquina. Los relojeros de la Edad Media y los hombres del Renacimiento, como Leonardo da Vinci, ayudaron a expandir el entorno tecnológico de la humanidad hacia las condiciones previas para las máquinas herramienta industriales. Durante los siglos XVIII y XIX, e incluso en muchos casos en el XX, los constructores de máquinas herramienta solían ser las mismas personas que luego las usarían para producir los productos finales (bienes manufacturados). Sin embargo, de estas raíces también surgió una industria de fabricantes de máquinas herramienta tal como la entendemos hoy en día, es decir, personas que se especializan en la fabricación de máquinas herramienta para su venta a terceros.

Los historiadores de las máquinas herramienta suelen centrarse en un puñado de industrias importantes que impulsaron el desarrollo de estas. En orden cronológico, estas han sido: armas de fuego (armas pequeñas y artillería ); relojes ; maquinaria textil; máquinas de vapor ( estacionarias , marinas , ferroviarias y de otro tipo ) ( Roe ^{[ 9 ]} analiza cómo la necesidad de Watt de un cilindro preciso impulsó la máquina perforadora de Boulton ); máquinas de coser ; bicicletas ; automóviles ; y aeronaves . Otras industrias también podrían incluirse en esta lista, pero tienden a estar relacionadas con las causas fundamentales ya mencionadas. Por ejemplo, los rodamientos de elementos rodantes constituyen una industria en sí misma, pero los principales impulsores de su desarrollo fueron los vehículos ya mencionados: trenes, bicicletas, automóviles y aeronaves; y otras industrias, como tractores, implementos agrícolas y tanques, que se inspiraron en gran medida en esas mismas industrias de origen.

Las máquinas herramienta cubrieron una necesidad creada por la maquinaria textil durante la Revolución Industrial en Inglaterra a mediados y finales del siglo XVIII. ^{[ 9 ]} Hasta entonces, la maquinaria se fabricaba principalmente de madera, incluyendo a menudo engranajes y ejes. El aumento de la mecanización requirió más piezas metálicas, que generalmente se fabricaban de hierro fundido o hierro forjado . El hierro fundido podía moldearse para piezas más grandes, como cilindros de motor y engranajes, pero era difícil de trabajar con una lima y no se podía martillar. El hierro forjado al rojo vivo podía martillarse para darle forma. El hierro forjado a temperatura ambiente se trabajaba con lima y cincel y podía transformarse en engranajes y otras piezas complejas; sin embargo, el trabajo manual carecía de precisión y era un proceso lento y costoso.

James Watt no pudo conseguir un cilindro perforado con precisión para su primera máquina de vapor, intentándolo durante varios años hasta que John Wilkinson inventó una máquina perforadora adecuada en 1774, perforando el primer motor comercial de Boulton & Watt en 1776. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

El avance en la precisión de las máquinas herramienta se remonta a Henry Maudslay y fue perfeccionado por Joseph Whitworth . James Nasmyth [11 ^{] , quien trabajó para Maudslay en 1829, atestiguó que Maudslay había establecido la fabricación y el uso de calibres maestros de planos en su taller (Maudslay & Field )} , ubicado en Westminster Road, al sur del río Támesis en Londres, alrededor de 1809, y Nasmyth documentó su uso en su autobiografía.

El proceso de fabricación de los patrones maestros de planos se remonta a la antigüedad, pero se perfeccionó hasta un grado sin precedentes en el taller de Maudslay. El proceso comienza con tres placas cuadradas, cada una identificada (por ejemplo, 1, 2 y 3). El primer paso consiste en frotar las placas 1 y 2 con un medio de marcado (conocido hoy como pavonado), revelando las irregularidades que se eliminan raspando a mano con una espátula de acero hasta que no se aprecian. Esto no produce superficies planas perfectas, sino un ajuste cóncavo-cóncavo y convexo-convexo tipo "rótula", ya que este ajuste mecánico, como dos planos perfectos, permite que se deslicen uno sobre el otro sin revelar irregularidades. El frotado y el marcado se repiten tras girar la placa 2 90 grados con respecto a la 1 para eliminar la curvatura cóncavo-convexa. A continuación, se compara la placa número 3 y se raspa para que coincida con la placa número 1 en las mismas dos pruebas. De esta forma, las placas número 2 y 3 resultan idénticas. A continuación, se compararían las placas número 2 y 3 para determinar su estado: si ambas presentaban irregularidades (esferas, cavidades, virutas o una combinación de estas). Posteriormente, se rasparían hasta eliminar cualquier protuberancia y se compararían con la placa número 1. Repitiendo este proceso de comparación y raspado de las tres placas, se podrían obtener superficies planas con una precisión de millonésimas de pulgada (el grosor del material de marcado).

El método tradicional para fabricar los calibres de superficie utilizaba un polvo abrasivo frotado entre las placas para eliminar las irregularidades, pero fue Whitworth quien contribuyó al perfeccionamiento al sustituir el rectificado por el raspado manual. Poco después de 1825, Whitworth empezó a trabajar para Maudslay, donde perfeccionó el raspado manual de los calibres maestros de superficie plana. En su ponencia presentada a la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia en Glasgow en 1840, Whitworth señaló la imprecisión inherente del rectificado debido a la falta de control y, por lo tanto, a la distribución desigual del material abrasivo entre las placas, lo que producía una eliminación irregular del material.

Con la creación de patrones maestros de tan alta precisión, todos los componentes críticos de las máquinas herramienta (es decir, superficies de guía como las guías de las máquinas) podían compararse con ellos y ajustarse a la precisión deseada. ^{[ 9 ]} Las primeras máquinas herramienta ofrecidas para la venta (es decir, disponibles comercialmente) fueron construidas por Matthew Murray en Inglaterra alrededor de 1800. ^{[ 12 ]} Otros, como Henry Maudslay , James Nasmyth y Joseph Whitworth , pronto siguieron el camino de expandir su espíritu emprendedor desde los productos finales manufacturados y el trabajo de mecánico industrial al ámbito de la construcción de máquinas herramienta para la venta.

Entre las primeras máquinas herramienta importantes se encontraban el torno de carro deslizante, el torno roscador , el torno revólver , la fresadora , el torno de trazado de patrones, la cepilladora y la regruesadora de metal , todas ellas en uso antes de 1840. ^{[ 13 ]} Con estas máquinas herramienta se logró finalmente el objetivo, largamente anhelado, de producir piezas intercambiables . Un ejemplo temprano importante de algo que ahora se da por sentado fue la estandarización de los elementos de fijación roscados, como tuercas y pernos. Antes de principios del siglo XIX, estos se usaban en pares, e incluso los tornillos de la misma máquina generalmente no eran intercambiables. ^{[ 14 ]} Se desarrollaron métodos para cortar la rosca de los tornillos con mayor precisión que la del tornillo de avance del torno utilizado. Esto dio lugar a las normas de longitud de barra de los siglos XIX y principios del XX.

La producción estadounidense de máquinas herramienta fue un factor crucial en la victoria de los Aliados en la Segunda Guerra Mundial. La producción de máquinas herramienta se triplicó en Estados Unidos durante la guerra. Ninguna guerra fue más industrializada que la Segunda Guerra Mundial, y se ha escrito que la guerra se ganó tanto gracias a los talleres mecánicos como a las ametralladoras. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

La producción de máquinas herramienta se concentra en aproximadamente 10 países: China, Japón, Alemania, Italia, Corea del Sur, Taiwán, Suiza, Estados Unidos, Austria, España y algunos otros. La innovación en máquinas herramienta continúa en diversos centros de investigación públicos y privados a nivel mundial.

Todo el torneado del hierro para la maquinaria algodonera construida por el Sr. Slater se realizó con cinceles manuales o herramientas en tornos accionados por manivelas con fuerza manual.

Las máquinas herramienta pueden alimentarse de diversas fuentes. Antiguamente se utilizaba la fuerza humana y animal (mediante manivelas , pedales , cintas de correr o ruedas de pisar ), así como la fuerza hidráulica (mediante ruedas de agua ); sin embargo, tras el desarrollo de las máquinas de vapor de alta presión a mediados del siglo XIX, las fábricas comenzaron a utilizar cada vez más la energía de vapor. También utilizaban energía hidráulica y neumática. Muchos pequeños talleres continuaron utilizando agua, fuerza humana y fuerza animal hasta la electrificación posterior a 1900. ^{[ 18 ]}

Actualmente, la mayoría de las máquinas herramienta funcionan con electricidad; en ocasiones se utiliza energía hidráulica y neumática, pero esto es poco común.

Las máquinas herramienta pueden operarse manualmente o bajo control automático. ^{[ 19 ]} Las primeras máquinas utilizaban volantes para estabilizar su movimiento y contaban con complejos sistemas de engranajes y palancas para controlar la máquina y la pieza que se estaba procesando. Poco después de la Segunda Guerra Mundial, se desarrolló la máquina de control numérico (CNC). Las máquinas NC utilizaban una serie de números perforados en cinta de papel o tarjetas perforadas para controlar su movimiento. En la década de 1960, se añadieron ordenadores para brindar aún más flexibilidad al proceso. Estas máquinas se conocieron como máquinas de control numérico computarizado (CNC) . Las máquinas NC y CNC podían repetir secuencias con precisión una y otra vez, y podían producir piezas mucho más complejas que incluso los operarios de herramientas más expertos.

En poco tiempo, las máquinas pudieron cambiar automáticamente las herramientas de corte y conformado que se estaban utilizando. Por ejemplo, una taladradora podría contener un cargador con una variedad de brocas para producir agujeros de diferentes tamaños. Anteriormente, los operarios solían tener que cambiar manualmente la broca o trasladar la pieza de trabajo a otra estación para realizar estas operaciones. El siguiente paso lógico fue combinar varias máquinas herramienta diferentes, todas bajo control informático. Estas se conocen como centros de mecanizado y han transformado radicalmente la forma en que se fabrican las piezas.

Ejemplos de máquinas herramienta son:

• Máquina de brochado
• Taladro de columna
• Moldeador de engranajes
• Máquina de tallado
• Piedra de afilar
• Torno
• Máquina de bruñido
• Máquinas de tornillo
• Fresadora
• Cizallamiento (chapa metálica)
• Moldeador
• Sierra de cinta

  

  Sierras
• Plancha
• Molinos de plataforma Stewart
• Máquinas rectificadoras
• Máquinas multitarea (MTM): máquinas herramienta CNC con muchos ejes que combinan torneado, fresado, rectificado y manipulación de materiales en una sola máquina herramienta altamente automatizada.

Al fabricar o dar forma a las piezas, se utilizan varias técnicas para eliminar el metal no deseado. Entre ellas se encuentran:

• mecanizado por descarga eléctrica
• Rectificado (corte abrasivo)
• Herramientas de corte de filo múltiple
• Herramientas de corte de un solo filo

Se utilizan otras técnicas para añadir el material deseado. Los dispositivos que fabrican componentes mediante la adición selectiva de material se denominan máquinas de prototipado rápido .

Según una encuesta de la firma de investigación de mercado Gardner Research, el mercado mundial de máquinas herramienta alcanzó una producción aproximada de 81.000 millones de dólares en 2014. ^{[ 20 ]} El mayor productor de máquinas herramienta fue China, con una producción de 23.800 millones de dólares, seguida de Alemania y Japón, muy igualadas, con 12.900 millones y 12.880 millones de dólares respectivamente. ^{[ 20 ]} Corea del Sur e Italia completaron los cinco principales productores, con ingresos de 5.600 millones y 5.000 millones de dólares respectivamente. ^{[ 20 ]}

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• Roe, Joseph Wickham (1916), Fabricantes de herramientas ingleses y estadounidenses , New Haven, Connecticut: Yale University Press, LCCN 16011753 Reimpreso por McGraw-Hill, Nueva York y Londres, 1926 ( LCCN 27-24075 ); y por Lindsay Publications, Inc., Bradley, Illinois ( ISBN  978-0-917914-73-7). . Un clásico fundamental de la historia de las máquinas herramienta. Ampliamente citado en trabajos posteriores.
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Una biografía de un fabricante de máquinas herramienta que también incluye una reseña histórica general del sector.

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• Hitos en la historia de las máquinas herramienta