De la función a la fabricaciónmetodología para el tratamiento integrado de tolerancias en conjuntos mecánicos

Resum

Durante mucho tiempo el tratamiento de las tolerancias ha sido una de las actividades más difíciles y menos entendidas. Las relaciones entre el valor de las tolerancias y la calidad de funcionamiento no están siempre claras. Es bastante difícil definir conjuntos interrelacionados de requerimientos totalmente consistentes en posición, distancia, concentricidad, rectitud, etc. Usualmente, las tolerancias se especifican para todos los requerimientos funcionales sin prestar mucha atención a sus efectos. Este proceder es habitual y lleva a que se establezcan, con gran frecuencia, esquemas inconsistentes de tolerancias, que conducen a asignar valores para las tolerancias excesivamente estrechos. Como consecuencia de todo ello las piezas resultan caras y el propio funcionamiento del conjunto puede incluso no quedar garantizado. A lo anterior se ha de añadir que muchas compañías no tienen clara la metodología para especificar las tolerancias. La mayoría de los diseñadores utilizan su intuición y experiencia, y sólo algunas veces siguen reglas generales. Como consecuencia de ello, la mayoría de los diseños no contienen todas las tolerancias funcionales relevantes mientras algunos valores de las tolerancias son demasiado estrechas. Se requiere, pues, de un método fiable y claro para la especificación de tolerancias que forme parte de una estrategia de gestión de tolerancias global, y que tenga presente en todo momento las consideraciones de fabricación, inspección y montaje. La presente tesis se ha desarrollado partiendo de este contexto, teniendo como objetivo fundamental el establecer un marco de trabajo apropiado para el tratamiento integrado de la variabilidad en diseño y fabricación, que englobe tanto el estudio de la funcionalidad exigida a un conjunto o sistema mecánico como las capacidades de los sistemas de fabricación e inspección. Y todo ello planteado desde el punto de vista de la fabricación, porque es en este ámbito donde las tolerancias tienen sentido ante la imposibilidad de fabricar de forma perfecta, y porque la necesaria variabilidad de la función es requerida para posibilitar la fabricación. Así, como punto de partida se ha analizado la transmisión de información entre diseño y fabricación, justificando la necesidad de que ésta sea fluida, completa y rigurosa, y este análisis se ha completado con la propuesta de un conjunto de indicadores para medir la calidad de la información transmitida. Posteriormente se ha realizado un exhaustivo estudio de la mayor parte de los aspectos relacionados con el tratamiento de las tolerancias, en particular la terminología, los modelos y métodos de composición de tolerancias y una comparativa de los mismos, las funciones de coste-tolerancia, y los criterios y técnicas de distribución de tolerancias. Para lograr una eficiente transmisión de información, se ha propuesto un esquema general para el estudio de la funcionalidad de las piezas de un conjunto mecánico, centrado en analizar estrictamente la funcionalidad estableciendo de modo riguroso y justificado la variabilidad admitida. En este esquema se ha incluido una metodología que permite convertir los requisitos funcionales en especificaciones geométricas sobre las piezas a fabricar, relacionando función y fabricación mediante ecuaciones funcionales, de modo que desde la fabricación se pueda garantizar directamente la funcionalidad. La utilidad de esta metodología se ha justificado mediante varios ejemplo de su aplicación. Esta transmisión de información requiere además de un modelo integrado función-fabricación. Para ello, se ha desarrollado una metodología para el modelado de los conjuntos mecánicos tanto a nivel funcional como a nivel de fabricación, la cual permite un tratamiento integrado de las variabilidades en ambos niveles sin merma de información, ni funcional ni de fabricación. De este modo, en todo momento se pueda conocer cómo las variabilidades en la fabricación, ya fuere un desgaste de una herramienta o de un utillaje o cualquier cambio en las condiciones de fabricación, afectan directamente a la funcionalidad. Ello posibilita el reparto de la variabilidad (tolerancia) funcional directamente sobre las especificaciones de fabricación (tolerancias de fabricación) en función de criterios de capacidades y de costes, además de poder evaluar cómo la variabilidad en una especificación de fabricación afecta a la función, lo que redundará en diseños más robustos, de mayor calidad y a un coste menor. Esta metodología propuesta está basada en un modelado mediante grafos (G-M: Grafo Mecanismo, G-F: Grafo de Fabricación, y G-IFF: Grafo Integrado Función Fabricación) que gozan de la capacidad de expansibilidad de modo que el estudio se pueda realizar con diferentes niveles de agregación (diseño, fabricación, subfases de fabricación en procesos multietapa, utillaje, inspección, etc.). Sobre estos grafos se pueden buscar flujos funcionales y de fabricación que permiten obtener las cadenas de cotas que relacionan las especificaciones funcionales con las de fabricación.