El torneado escalonado es uno de los pasos más básicos pero importantes de la fabricación moderna. Este proceso de mecanizado especializado fabrica piezas cilíndricas con diferentes diámetros a lo largo de un solo eje, lo que da nombre a la técnica por el perfil "escalonado" que realiza.

Ingenieros, maquinistas y fabricantes de todo el mundo necesitan saber qué es el torneado escalonado: Finalidad, proceso, ventajas y desventajas, y por qué es necesario para más de 70% de operaciones de fabricación de precisión que necesitan ejes de varios diámetros.

El torneado escalonado ha cambiado la forma en que los fabricantes fabrican piezas multidiámetro, ya que les permite realizar formas complejas en una sola configuración. Esto incluye desde ejes de transmisión de automóviles hasta piezas aeroespaciales que necesitan asientos de rodamientos precisos.

¿Qué significa "dar un paso atrás"?

El torneado escalonado es un tipo de trabajo de torno que fabrica dos o más diámetros diferentes en una sola pieza cilíndrica realizando cortes axiales controlados. El cambio brusco de 90 grados entre secciones de diámetro es lo que hace que este proceso sea único y le confiere su perfil escalonado.

Las operaciones de torneado escalonado realizan cambios repentinos con hombros y pasos precisos, mientras que el torneado cónico realiza cambios graduales. Este método se realiza en tornos normales o tornos escalonados CNC, en los que la pieza gira mientras una herramienta de corte que no se mueve recorta material para dar la forma escalonada deseada.

El proceso fabrica piezas con varias zonas funcionales, cada una de las cuales tiene un cometido diferente, como asientos de cojinetes, superficies de montaje de engranajes u hombros para posicionar componentes. Según datos del sector, aproximadamente 60% de los componentes de maquinaria rotativa requieren perfiles escalonados para su correcto montaje y funcionamiento.

Finalidad del torneado escalonado en la fabricación

Aplicaciones primarias

El torneado escalonado es una parte importante de la fabricación moderna por varias razones:

Integración de componentes: Garantiza que los rodamientos, engranajes, poleas y juntas encajen perfectamente en sus superficies de montaje. Cada paso proporciona un diámetro específico para el montaje de las piezas, lo que garantiza que las interfaces mecánicas funcionen correctamente.

Distribución de la carga: Los ejes escalonados reparten las cargas mecánicas entre varios diámetros, lo que evita que se acumulen tensiones y alarga la vida útil de las piezas. Los estudios demuestran que los ejes escalonados diseñados correctamente pueden soportar hasta 40% más de peso que los ejes del mismo diámetro.

Eficiencia de montaje: Reduce el número de piezas necesarias, lo que acelera el montaje y disminuye el riesgo de averías. En la mayoría de los casos, un eje escalonado puede sustituir de tres a cinco piezas separadas.

Usos en industrias específicas

• Automóvil: Para el montaje de engranajes y el soporte de rodamientos, los ejes de entrada de la transmisión, los piñones del diferencial y los cigüeñales necesitan perfiles escalonados muy precisos.
• Aeroespacial: El torneado escalonado es necesario para obtener una precisión dimensional crítica en piezas como trenes de aterrizaje, ejes de actuadores y conjuntos de turbinas.
• Maquinaria industrial: Los ejes de las bombas, los rotores de los motores y las piezas de las cajas de cambios utilizan diseños escalonados para funcionar mejor y ser más fiables.

Proceso de giro por etapas - Metodología detallada

Instalación y preparación

En proceso de torneado por etapas comienza con una cuidadosa preparación de la pieza de trabajo y la configuración de la máquina:

Selección de materiales: El diámetro de la materia prima debe ajustarse al paso más grande requerido, añadiendo normalmente 2-3 mm para el margen de mecanizado. Se suele utilizar material en barra, con diámetros que oscilan entre 10 mm y 500 mm, en función de los requisitos de la aplicación.

Trabaja en Ahold: La pieza se sujeta adecuadamente en el plato del torno para que quede bien centrada y no vibre. El apoyo del contrapunto es necesario en piezas más largas que tengan una relación longitud-diámetro de 4:1 para permitir una precisión adecuada.

Selección de herramientas: Herramientas de torneado escalonado incluyen herramientas de torneado recto, herramientas de tronzado y herramientas de acabado. Las plaquitas de metal duro son las preferidas para las series de producción, ya que ofrecen una resistencia al desgaste y una calidad de acabado superficial superiores.

Secuencia de mecanizado

• Operación Enfrentamiento: El extremo de la pieza se refrenta para crear una superficie de referencia en el extremo, y todas las mediciones posteriores se realizarían con esta superficie.
• Cortes bruscos: Este arranque de material se realiza empezando por el diámetro mayor y bajando al diámetro menor por pasos. Dependiendo de las propiedades de los materiales utilizados, las velocidades de avance suelen ser de 0,1-0,5 mm por revolución.
• Paso de corte: La transición entre diámetros se realiza mediante procesos de torneado con algunos procedimientos de torneado específicos para obtener hombros de 90 grados con una rugosidad de las superficies que normalmente alcanza Ra 1,6-3,2 micras.

Las pasadas y los cortes finales de la luz también obtienen precisión dimensional y la calidad del acabado superficial, incluida una tolerancia estándar que suele ser de ±0,05 mm.

Control de calidad

• Verificación dimensional: Los calibres o micrómetros miden cada paso de diámetro, y la verificación se realiza tanto en mitad del proceso de mecanizado como después de cualquier procedimiento de mecanizado para comprobar que se han cumplido las especificaciones.
• Evaluación del acabado de las superficies: Mide la rugosidad de la superficie mediante el uso de perfilómetros y cumple los requisitos de diseño de las superficies de contacto de los componentes.

Ventajas del giro escalonado

Ventajas operativas

• Eficiencia de configuración única: El torneado por pasos CNC facilita la fabricación en una sola configuración no sólo de la pieza, sino también del producto acabado, donde las imprecisiones de posicionamiento y, por tanto, los tiempos de ciclo se reducen entre un 30 y un 50% con respecto a las capacidades de operaciones múltiples.
• Precisión mejorada: Proporciona concentricidad de todos los diámetros dentro de 0,02 mm, lo que es vital en conjuntos giratorios en los que el rendimiento se ve influido por la excentricidad.
• Rentabilidad: Menos desperdicio, en términos de material, que los métodos de ensamblaje; la bibliografía revela un ahorro de entre el 25% y el 40% de material en la mayoría de las aplicaciones.

Ventajas de producción

• Torneado escalonado CNC Fabricación rápida: Hoy en día, las piezas escalonadas complejas pueden realizarse en los modernos centros de torneado escalonado CNC en cuestión de minutos, frente a las horas que se necesitarían con las técnicas de ensamblaje tradicionales.
• Coherencia: El control automatizado elimina la variación humana, garantizando piezas idénticas en todas las tiradas de producción gracias a las funciones de control estadístico de procesos.
• Optimización de la vida útil de las herramientas: Unos parámetros de corte adecuados alargarán la vida útil de la herramienta con plaquitas de metal duro capaces de soportar hasta 200-500 piezas en componentes de acero.

Flexibilidad de diseño

• Geometrías complejas: Permite producir perfiles escalonados complejos que no pueden conseguirse en el ensamblaje tradicional, por ejemplo, ángulos compuestos y atributos de transición.
• Optimización del material: Esto permite el posicionamiento estratégico del material, en el que el material de mayor resistencia se utiliza sólo cuando es necesario sin comprometer el coste.

Desventajas del giro escalonado

Limitaciones materiales

• Alto desperdicio: Las diferencias en los diámetros provocan un desperdicio de hasta el 50-70% de los materiales, especialmente cuando se trata de aleaciones caras o materiales exóticos.
• Limitaciones de tamaño de las existencias: La materia prima limita la eficacia en diámetros lo suficientemente grandes como para acomodar el paso más grande cuando se desea un diámetro final pequeño, o el stock que sólo está disponible en diámetros grandes.

Limitaciones del proceso

• Limitaciones geométricas: Los procesos de torneado escalonado no son capaces de generar curvas, rasgos inclinados y perfiles complejos, por lo que requieren la intervención de otras operaciones para el acabado de las piezas.
• Sensibilidad de ajuste: El reglaje es muy sensible; un ligero error de reglaje de 0,05 mm provocaría un cambio dimensional superior a la tolerancia.
• Problemas de acceso a las herramientas: Los pasos profundos o los elementos poco espaciados pueden crear problemas de holgura de la herramienta, limitando las geometrías alcanzables.

Consideraciones económicas

• Costes de puesta en marcha: Los tornos escalonados CNC implican una elevada inversión de capital, ya que los centros de torneado actuales alcanzan entre 150.000 y 500.000 euros.
• Complejidad de la fabricación: Para las piezas escalonadas complejas se necesita una programación sofisticada, lo que aumenta el tiempo de preparación y las competencias.
• Costes de material: La generación de residuos influye en la eficiencia del uso del material, especialmente en el caso de materiales caros como el titanio o el Inconel.

Herramientas y equipos de torneado escalonado

Equipamiento esencial

• Centros de torneado CNC: Máquinas modernas en Mecanizado CNC cuentan con capacidad multieje, herramientas motorizadas y subhusillos para el procesamiento completo de piezas. Las velocidades de los husillos varían entre 50-4000 RPM y la potencia entre 15-100 CV.
• Herramientas de corte: En el software de producción, las herramientas de plaquitas de metal duro desempeñan un papel dominante con una vida útil rentable, ya que tienen una vida útil predecible y superficies reproducibles. Los portaherramientas deben ofrecer una rigidez que reduzca las vibraciones, y también precisión.
• Sistemas de medición: La inspección se centra en los errores dimensionales del producto acabado mediante el uso de calibres digitales, micrómetros y una máquina de medición de coordenadas (MMC).

Tecnologías avanzadas

• Integración de herramientas en vivo: Permite realizar procesos completos de taladrado, fresado y roscado sin necesidad de reposicionar la pieza, con una capacidad de torneado por pasos muy superior.
• Cambiadores automáticos de herramientas: Permitir la fabricación sin luz y reducir los tiempos de ciclo a menos de 5 segundos es la norma en los sistemas actuales.

Uso en industrias

Fabricación de automóviles

Los componentes de transmisión representan el mayor segmento de aplicación, con ejes escalonados que permiten un engranaje y un soporte de rodamientos adecuados. Los ejes de entrada suelen tener entre 3 y 5 diámetros distintos con requisitos de concentricidad de 0,01 mm.

Componentes aeroespaciales

El hardware de vuelo crítico exige una precisión excepcional, con ejes de actuador escalonados que requieren valores de acabado superficial mejores que Ra 0,8 micras y tolerancias dimensionales dentro de ±0,025 mm.

Equipamiento industrial

Los ejes de las bombas, los rotores de los motores y los componentes de las cajas de engranajes utilizan el torneado escalonado para obtener un rendimiento óptimo, con volúmenes de producción típicos que oscilan entre 100 y 10.000 piezas al año.

Buenas prácticas para obtener resultados óptimos

Configuración de la máquina

• Soporte de la pieza de trabajo: Utilice lunetas o soportes de contrapunto adecuados para relaciones longitud/diámetro superiores a 4:1 para evitar la flexión y las vibraciones.
• Selección de herramientas: Adaptar la geometría de la herramienta a las propiedades del material, utilizando ángulos de desprendimiento positivos para aluminio y neutros/negativos para aceros endurecidos.

Optimización de procesos

• Parámetros de corte: Mantenga velocidades superficiales constantes en los cambios de diámetro, ajustando las RPM en consecuencia para optimizar la vida útil de la herramienta y el acabado superficial.
• Aplicación de refrigerante: Los sistemas adecuados de refrigeración por inundación o alta presión mejoran el acabado superficial y prolongan la vida útil de la herramienta 200-300% en aplicaciones de producción.

Tendencias futuras en tecnología de torneado escalonado

• Integración de la automatización: Las tecnologías de Industria 4.0 permiten el mantenimiento predictivo y el control adaptativo, reduciendo el tiempo de inactividad y mejorando la consistencia de la calidad.
• Materiales avanzados: El desarrollo de nuevos materiales para herramientas de corte amplía las capacidades a materiales difíciles de mecanizar, como los aluminuros de titanio y los compuestos de matriz cerámica.
• Software de simulación: Sistemas CAM avanzados con simulación integrada reducen el tiempo de programación y eliminan posibles colisiones antes de iniciar la producción.

Conclusión

Comprender el torneado por pasos: finalidad, proceso, ventajas y desventajas es esencial para el éxito de la fabricación moderna. Este versátil proceso de mecanizado ofrece una precisión y eficiencia inigualables para componentes multidiámetro, a pesar de las limitaciones en la utilización de materiales y la flexibilidad geométrica.

Cuando la tecnología de torneado escalonado CNC esté bien implantada, los fabricantes obtendrán considerables ganancias en términos de productividad sin tener que renunciar a mantener las estrechas tolerancias que exigen las exigentes aplicaciones actuales. Con el avance de la automatización y las herramientas de corte, el torneado escalonado constituirá un proceso insustituible en la aplicación de la fabricación de precisión.

La automatización inteligente, el mantenimiento predictivo y los materiales avanzados son el camino hacia el futuro de las operaciones de torneado por pasos y ofrecen una mayor eficiencia y potencial a los fabricantes de todo el mundo.

Preguntas frecuentes sobre el giro escalonado: Finalidad, proceso, ventajas y desventajas

P1: ¿Qué diferencia hay entre el torneado escalonado y el torneado cónico?

Paso de giro crea cambios bruscos de diámetro con resaltes de 90 grados, mientras que el torneado cónico produce transiciones graduales de diámetro. El torneado escalonado se utiliza para superficies de montaje de componentes, mientras que el torneado cónico crea superficies en ángulo para fines de sellado o ensamblaje.

P2: ¿Cuáles son los materiales más adecuados para las operaciones de torneado escalonado?

Los recursos más utilizados son los aceros al carbono, los aceros inoxidables, las aleaciones de aluminio y el latón. Los materiales más duros, como los aceros para herramientas y el Inconel, requieren herramientas de corte especializadas y velocidades de corte reducidas, pero pueden procesarse con éxito con los parámetros adecuados.

P3: ¿Cómo aumenta la precisión del torneado escalonado CNC respecto a los manuales?

Torneado escalonado CNC elimina el error humano, mantiene unos parámetros de corte constantes y consigue una repetibilidad de ±0,01 mm. Los sistemas automatizados también permiten geometrías complejas imposibles con el funcionamiento manual, al tiempo que reducen el tiempo de ciclo en 40-60%.

P4: ¿Cuáles son las tolerancias típicas que se consiguen con el torneado escalonado? 

Estándar operaciones de torneado por etapas alcanzar tolerancias dimensionales de ±0,05 mm con acabados superficiales Ra de 1,6-3,2 micras. Las aplicaciones de precisión pueden alcanzar tolerancias de ±0,01 mm con el equipo y el control de procesos adecuados.

P5: ¿Cómo minimizar el desperdicio de material en aplicaciones de torneado por etapas? 

Seleccione los diámetros de materia prima más próximos al mayor paso necesario, optimice la orientación de la pieza para maximizar el uso de material y considere métodos de fabricación alternativos para piezas con relaciones de diámetro extremas superiores a 4:1.