Cadena de tolerancias en estructuras de máquina soldadas

Un bastidor de máquina es una cadena de tolerancias, y lo que realmente le importa al cliente (si el husillo está a escuadra con la mesa, si las guías son coplanarias, si el husillo de bolas corre paralelo a la guía) está al final de esa cadena. Cada eslabón contribuye, y no todos contribuyen por igual.

La mayoría de los bastidores sobreespecificados son el resultado de una cadena de tolerancias que nunca se analizó. El diseñador tenía dudas, lo ajustó todo y pagó precisión en eslabones que no aportaban casi nada.

Dónde están los eslabones en una estructura soldada

Una bancada de máquina fabricada tiene una cadena que, a grandes rasgos, es así:

1. Planitud y variación de espesor de la chapa tal como llega de la acería
2. Precisión de corte: posición del perfil y escuadrado con plasma, láser o sierra
3. Armado: holguras, desalineaciones y escuadrado en el montaje antes de soldar
4. Contracción y distorsión de la soldadura: el factor más grande y menos previsible
5. Relajación por alivio de tensiones: movimiento durante y después del ciclo térmico
6. Amarre para mecanizado: cómo se apoyó y se alineó la pieza
7. Precisión de mecanizado: el error de posicionamiento y geométrico de la propia máquina
8. Incertidumbre de medición: el propio proceso de inspección
9. Montaje: atornillado, calzado con suplementos y la cimentación sobre la que se asienta la máquina

El dato estructural importante es que, en cualquier elemento que se mecaniza, los eslabones 1 a 5 suelen quedar eliminados por el eslabón 7. Mecanizar una cara restablece su posición respecto a las referencias, y las tolerancias de fabricación anteriores dejan de ser relevantes para ese elemento, siempre que el sobreespesor haya sobrevivido.

Esa es la idea central en una estructura soldada: las tolerancias de los elementos sin mecanizar y las de los elementos mecanizados viven en cadenas distintas. Mezclarlas en un mismo análisis produce resultados absurdos y, por lo general, un plano que especifica precisión en un canto de chapa al que nada hace referencia.

Peor caso, estadístico, y cuál usar

La cadena de peor caso (aritmética) suma los extremos de cada contribución. Si seis elementos llevan ±0,1 mm cada uno, el peor caso da ±0,6 mm. Es conservadora con total seguridad y sobredimensiona mucho en cadenas de más de unos tres eslabones, porque la probabilidad de que todas las contribuciones estén en su extremo y en la misma dirección es remota.

La cadena estadística (RSS) toma la raíz de la suma de cuadrados. Los mismos seis elementos dan unos ±0,245 mm, menos de la mitad. Supone que las contribuciones son independientes y aproximadamente normales, lo cual es razonable para la variación de mecanizado y no lo es para la distorsión de soldadura, que tiene un sesgo direccional marcado.

El enfoque práctico en un bastidor de máquina:

• Use el peor caso en cadenas cortas, en holguras críticas para la seguridad y en todo lo que, con una sola pieza fuera de tolerancia, dé lugar a un conjunto imposible de montar.
• Use el estadístico en cadenas más largas de variación de mecanizado independiente, cuando disponga de datos reales del proceso.
• No use ninguno de los dos a ciegas para la distorsión de soldadura. La distorsión no es una variable aleatoria centrada en cero: una secuencia de soldadura dada deforma una estructura dada en una dirección constante. Trátela como un sesgo que hay que eliminar desde el diseño, no como una tolerancia que se suma en la cadena. Las palancas están en control de la distorsión en grandes estructuras soldadas.

La cuestión del sobreespesor, que es la verdadera cadena en una estructura soldada

En un bastidor fabricado y mecanizado, la cadena que más a menudo causa problemas no es geométrica en absoluto. Es si queda material suficiente para mecanizar.

La cadena: tolerancia de espesor de chapa, más variación de corte, más desalineación de armado, más distorsión de soldadura, más movimiento por alivio de tensiones, frente al sobreespesor de mecanizado que usted especificó. Si esa suma supera el sobreespesor en cualquier punto de la superficie, la herramienta se queda sin material y la pieza es chatarra.

Tres milímetros de sobreespesor es un valor por defecto habitual para bastidores medianos y es suficiente para una estructura soldada con una secuencia bien planteada. No lo es para un elemento largo y poco sujeto, soldado por un solo lado, en el que cuatro o cinco milímetros de curvatura son perfectamente posibles.

Vale la pena hacerlo de forma explícita: estime la distorsión esperada para esa geometría concreta, añada las tolerancias de fabricación y compruebe que el sobreespesor lo cubre con margen. Cuando la estimación resulte incómoda, aumente el sobreespesor, que es barato, o corrija la secuencia, que es aún más barato.

Invertir bien el presupuesto de tolerancias

Dado un requisito funcional al final de la cadena, por ejemplo una coplanaridad de guías de 0,05 mm sobre 3 metros, la pregunta es cómo repartirlo.

Tres principios:

Invierta donde la sensibilidad es mayor. No todas las contribuciones afectan igual al resultado. Un pequeño error angular en la base de una columna alta produce un gran desplazamiento en la parte superior; el mismo error en la parte superior no produce casi nada. Identifique los eslabones con más efecto palanca y ajústelos; libere el resto.

Mecanice en el mismo amarre los elementos que deban estar relacionados. Dos apoyos mecanizados en un solo amarre en una sola máquina son coplanarios con la precisión de esa máquina en esa distancia. Los mismos dos apoyos mecanizados en amarres distintos heredan todo el error entre amarres. Es la decisión más eficaz sobre el presupuesto de tolerancias que existe en un bastidor de máquina, y es una decisión de diseño sobre la orientación de los elementos, no una decisión de especificación.

Use coplanaridad en lugar de planitud y posición individuales. Controlar un conjunto de apoyos como grupo coplanario expresa lo que necesita la máquina y deja al taller libertad para conseguirlo del modo que mejor se adapte a sus equipos. Controlar la altura de cada apoyo por separado sobrerrestringe el problema y cuesta más para un resultado funcional peor. El conjunto de controles se explica en GD&T y estrategia de referencias en estructuras soldadas.

El ajuste como estrategia de tolerancias

La otra forma de cerrar una cadena es incorporar el ajuste en el diseño.

Suplementos bajo los asientos de las guías, tornillos de nivelación, soportes excéntricos, patas regulables y una cimentación con mortero de relleno absorben todos el error acumulado en el montaje. Un bastidor que se nivela con suplementos en la instalación no necesita mecanizarse plano con la misma precisión, y en una estructura grande el suplemento es muchísimo más barato que el mecanizado.

Por eso muchas máquinas herramienta muy grandes tienen tolerancias modestas en la estructura fabricada y tolerancias estrechas solo en los elementos que no se pueden ajustar. Se aplica el principio general del análisis funcional al estilo de ASME Y14.5: controle lo que no se puede ajustar, ajuste lo que no hace falta controlar.

El intercambio es mano de obra de servicio frente a coste de fabricación. Para una máquina, el ajuste suele ganar. Para cincuenta, suele ganar la precisión de mecanizado que ahorra una hora de alineación por unidad.

Una secuencia de trabajo

1. Anote el requisito funcional al final de la cadena, como una cifra.
2. Enumere las contribuciones, separando la cadena mecanizada de la cadena fabricada.
3. Estime la sensibilidad del resultado a cada contribución.
4. Compruebe por separado el sobreespesor de mecanizado frente a la cadena de fabricación.
5. Ajuste las dos o tres contribuciones principales; deje todo lo demás a una tolerancia general como ISO 13920 clase B.
6. Pregúntese qué se podría ajustar en el montaje en lugar de controlarlo en la fabricación.
7. Confirme que el método de inspección puede medir realmente el requisito final.

El paso siete detecta un número sorprendente de planos. Un requisito de coplanaridad de 0,03 mm sobre cuatro metros no tiene sentido si nadie en la cadena tiene forma de medirlo: la incertidumbre de medición se come la tolerancia. La cuestión de la inspección se trata en inspección de primera pieza en grandes estructuras soldadas.

Si quiere que se revise un plano de bastidor en cuanto al sobreespesor y al realismo de las tolerancias antes de enviarlo a cotizar, envíenoslo: la revisión le llega en un plazo de 24 horas hábiles.