El asiento de un rodamiento se fabrica con un sobredimensionamiento de 0,02 mm. El producto se envía. Tres meses después, el rodamiento se desplaza bajo carga y la pieza falla en condiciones reales de uso. La carcasa de un conector se fabrica con un subdimensionamiento de 0,03 mm en el orificio de acoplamiento, por lo que no se puede montar en absoluto y va directamente a la chatarra. Si observas cualquiera de las dos piezas, no verás nada malo. Todo el problema se reducía a dos centésimas de milímetro.

La tolerancia es la única cifra de un plano que nadie cuestiona hasta que algo se rompe. Y cuando un ingeniero no sabe realmente cuánto cuesta producir una tolerancia determinada, suele acabar de una de estas dos formas: piezas con una tolerancia excesiva que cuestan el doble de lo que deberían, o piezas con una tolerancia insuficiente que fallan durante el montaje o en servicio. La solución es la misma para ambos casos. Hay que saber qué significa esa cifra, conocer qué exigen realmente las normas y comprender cómo el paso de 0,1 mm a 0,005 mm modifica la curva de costes.

Eso es precisamente lo que explica esta guía. Verás cómo las clases de tolerancia de la norma ISO 2768 gestionan todas las dimensiones que no hayas especificado, cómo la GD&T controla la geometría de una forma que un valor de más-menos no puede, en qué se diferencian las tolerancias bilaterales de las unilaterales, cómo influye cada nivel de tolerancia en el coste, y un breve conjunto de reglas para especificar la precisión que proteja la funcionalidad sin pagar por una exactitud que la pieza nunca necesitará.

¿Qué es una tolerancia en el mecanizado CNC y por qué existe?

La tolerancia en el mecanizado CNC es el rango de variación dimensional que puede presentar una pieza en torno a su valor nominal —o valor objetivo— y seguir siendo aceptada. Imagínate un rango de más-menos. Si se especifica 25,000 mm con una tolerancia de 0,05 mm, cualquier pieza que mida entre 24,950 mm y 25,050 mm se considera aceptable; si se sale de esa banda, se rechaza.

¿Por qué existen las tolerancias? Porque ningún proceso corta exactamente la misma dimensión en cada pieza, en cada ciclo. El desgaste de las herramientas, la dilatación térmica tanto de la pieza como de la máquina, los pequeños desplazamientos en la posición de los soportes, las vibraciones y la deflexión bajo la fuerza de corte: todos estos factores hacen que la dimensión final se desvíe de lo programado. Una tolerancia es, sencillamente, tu decisión sobre cuánta de esa variación inevitable puedes aceptar antes de que el montaje, el funcionamiento o la fiabilidad empiecen a verse afectados.

Esto es lo que la gente suele pasar por alto: establecer una tolerancia es una decisión funcional, no una cuestión de precisión. La cifra debe reflejar lo que realmente le ocurre al producto si la dimensión varía. Si una variación de 0,1 mm no provoca ningún problema de montaje, ninguna fuga ni ninguna pérdida de rendimiento, entonces 0,1 mm es la tolerancia adecuada. Reducir esa misma dimensión a 0,01 mm no aporta nada y supone un coste real.

¿Qué establece la norma ISO 2768 y cómo regula las dimensiones no especificadas?

La norma ISO 2768 es la norma internacional de tolerancias generales para piezas mecanizadas y cumple una función fundamental: cualquier cota del plano que no cuente con su propia indicación de tolerancia se ajusta a la clase indicada en el bloque de título. En la práctica, esto significa que la norma ISO 2768 rige de forma implícita la mayoría de las cotas de una pieza típica, ya que, por lo general, solo las características críticas de acoplamiento y funcionales cuentan con indicaciones de tolerancia individuales.

La parte 1 de la norma se ocupa de las dimensiones lineales y angulares, clasificadas en cuatro clases identificadas por letras: f (fina), m (media), c (gruesa) y v (muy gruesa). El margen de tolerancia permitido aumenta con el tamaño de la pieza, lo cual tiene sentido. Mantener una pieza de 200 mm con la misma tolerancia absoluta que una de 5 mm requeriría mucha más precisión sin motivo alguno.

La clase media ISO 2768-m es la más utilizada en el mecanizado CNC comercial. Los equipos estándar de 3 ejes la cumplen sin necesidad de ajustes especiales, y constituye la referencia que se aplica siempre que no se indique ninguna norma de tolerancia explícita en el pedido o en el bloque de título [1]. La clase fina, ISO 2768-f, requiere un mecanizado más minucioso y es adecuada para ensamblajes de precisión. Las clases c y v se aplican a chapas metálicas, piezas de fundición y características no funcionales en las que un control menos estricto resulta perfectamente adecuado.

¿Cuál es la diferencia entre las tolerancias bilaterales y las unilaterales?

Las tolerancias bilaterales y unilaterales son simplemente dos formas de describir dónde se sitúa la variación permitida con respecto al valor nominal. Distinguir correctamente entre ambas es lo que te permite controlar el requisito funcional real de una característica, en lugar de tener que adivinarlo.

Tolerancias bilaterales

Una tolerancia bilateral permite una variación en ambas direcciones respecto al valor nominal, y es la opción predeterminada para la mayoría de los elementos mecanizados. Si se especifica un eje de 20,000 mm con una tolerancia de ±0,05 mm, cualquier medida comprendida entre 19,950 mm y 20,050 mm es válida; la pieza puede estar ligeramente por encima o por debajo y seguir siendo aceptable. Siempre que el requisito sea simplemente situarse dentro de un rango centrado en el valor nominal, la tolerancia bilateral es la opción adecuada.

Tolerancias unilaterales

Una tolerancia unilateral solo permite una desviación en una dirección. Si se especifica un eje con una cota de 20,000 mm, más 0,000 y menos 0,050 mm, este podrá situarse en la cota nominal o por debajo de ella, pero nunca por encima. Eso es exactamente lo que se busca cuando el límite funcional se da en una sola dirección: el clásico ajuste entre eje y agujero, en el que un eje sobredimensionado impide por completo el montaje, mientras que uno subdimensionado solo aumenta ligeramente la holgura. Si se utiliza una tolerancia bilateral cuando la función realmente requiere una unilateral, se enviarán piezas que superen la inspección pero que luego no encajen entre sí.

Acumulación de tolerancias

La acumulación de tolerancias es lo que se produce cuando varias tolerancias individuales se suman a una dimensión final del conjunto. Si apilamos tres piezas en línea, cada una con una tolerancia de 0,1 mm, en el peor de los casos el conjunto puede desviarse 0,3 mm si las tres tolerancias se suman en la misma dirección. En conjuntos con muchas piezas de acoplamiento, un análisis de acumulación de tolerancias permite determinar si las tolerancias de cada pieza son realmente lo suficientemente ajustadas como para garantizar que el conjunto funcione durante todo un ciclo de producción. Y aquí está la disyuntiva: ajustar cada característica es la forma más costosa de solucionar una acumulación de tolerancias. Rediseñar el conjunto para que se acumulen menos dimensiones desde el principio es casi siempre la opción más económica.

¿Qué es lo que controla el GD&T que no pueden controlar las tolerancias «más-menos»?

Las tolerancias «más-menos» controlan las dimensiones, es decir, si una característica se encuentra dentro de su banda de dimensiones admisibles. El GD&T, o Dimensionamiento y Tolerancias Geométricas (ASME Y14.5 en Norteamérica, ISO 1101 a nivel internacional), controla la relación entre las características: su forma, orientación, ubicación y excentricidad. Se trata de aspectos que una tolerancia dimensional simplemente no puede describir.

Controles clave de GD&T relevantes para el mecanizado CNC

• La planitud determina el grado de planitud de una superficie, independientemente de su ubicación en el espacio. Una especificación de planitud de 0,02 mm significa que toda la superficie debe caber entre dos planos paralelos separados por 0,02 mm. Se suele encontrar en superficies de sellado, caras de montaje y puntos de referencia de precisión.
• La perpendicularidad determina en qué medida una superficie o un eje se aproxima a los 90 grados con respecto a un punto de referencia. Es importante en el caso de los orificios que deben alojar un eje perpendicular sin que se atasque, así como en el de las superficies de acoplamiento que deben quedar bien asentadas bajo la carga de sujeción.
• La posición real determina la ubicación de una característica —normalmente un orificio o un saliente— con respecto a un sistema de referencia. Sustituye a las indicaciones separadas de «más» y «menos» en los ejes X e Y que, de otro modo, serían necesarias para la ubicación del orificio, y describe una zona de tolerancia circular en lugar de una cuadrada. Esa zona circular es un 57 % más grande, por lo que permite una mayor variación real en la fabricación sin dejar de garantizar que la pieza encaje correctamente.
• La excentricidad determina en qué medida una superficie se desvía de la circularidad y la concentricidad reales al girar alrededor de un eje de referencia. Se aplica a componentes giratorios, muñones de cojinetes y superficies de sellado que deben permanecer en contacto durante la rotación.
• La cilindricidad controla de una sola vez la forma completa de un elemento cilíndrico, manteniendo su forma redonda, recta y con el cono adecuado a lo largo de toda su longitud. Es fundamental en los orificios de los rodamientos de precisión y en los de los cilindros hidráulicos, donde la junta se desplaza a lo largo de toda la longitud del contacto cilíndrico.

Los controles de GD&T se aplican además de las tolerancias dimensionales, no en lugar de ellas. Un orificio puede tener tanto una tolerancia de diámetro como una indicación de perpendicularidad respecto a una cara de referencia. Si se especifica correctamente el GD&T, se elimina la ambigüedad del mecanizado y la inspección, lo que reduce la probabilidad de que una pieza, aunque cumpla con las dimensiones, falle en el montaje debido a un error geométrico que la tolerancia dimensional no había detectado.

¿Cómo afecta el ajuste de la tolerancia al coste del mecanizado CNC?

La tolerancia y el coste no evolucionan en línea recta, sino de forma exponencial. Al pasar de la norma ISO 2768-m (aproximadamente de 0,1 mm a 0,3 mm, dependiendo del tamaño de la característica) a 0,05 mm, el coste aumenta ligeramente; hay que reducir la velocidad de avance y vigilar más de cerca el estado de la herramienta. Si se baja de 0,05 mm a 0,01 mm, ya se entra en el ámbito de las configuraciones de precisión específicas, el mecanizado con temperatura estabilizada en algunas características, herramientas de alta gama y mediciones durante el proceso. Si se baja de los 0,005 mm, normalmente se deja atrás por completo el fresado y el torneado estándar, pasando al rectificado o al lapeado, con una inspección al 100 % mediante CMM en las características críticas.

Esa curva coincide con los estudios publicados por Tormach y la Universidad de Ohio: una reducción de la tolerancia de 0,030 pulgadas (0,76 mm) a 0,001 pulgadas (0,025 mm) multiplica por cuatro el coste de mecanizado, y aspirar a una tolerancia de 0,0001 pulgadas (0,0025 mm) lo multiplica aproximadamente por 24 con respecto a la práctica habitual [2]. La conclusión es clara: aplique tolerancias estrictas solo en aquellos casos en los que la pieza falle realmente si la dimensión se sale del rango. En la mayoría de las piezas, esto supone entre el 10 y el 20 por ciento de las dimensiones; el 80 a 90 por ciento restante puede ajustarse a la norma ISO 2768-m o a una especificación de precisión moderada.

¿Cómo se especifican las tolerancias que garantizan el correcto funcionamiento sin pagar de más?

Especificar una tolerancia es una decisión de diseño que repercute directamente en el coste de fabricación. Las cinco reglas que se indican a continuación constituyen las directrices en las que nos basamos, extraídas de la práctica de la ingeniería de precisión y de las revisiones de DFM que Elite Mold Tech lleva a cabo en miles de programas de piezas nuevas.

• Regla n.º 1: Incluye la norma ISO 2768-m en el bloque de título. Establece un valor por defecto razonable para todas las cotas no especificadas e indica al operario de máquina qué precisión de referencia puede esperar, sin que tengas que ir colocando notas explicativas en cada elemento.
• Regla 2: Añade una tolerancia estricta solo cuando la pieza realmente falle fuera del rango estándar. Plantéatelo con claridad: si esta cota se desvía 0,2 mm de la cota nominal, ¿la pieza no se puede montar, presenta fugas o se rompe bajo carga? Si no es así, la norma ISO 2768-m ya lo cubre.
• Regla 3: Recurre a la GD&T para definir las relaciones entre las características, no solo su tamaño. Un orificio situado únicamente con indicaciones de más-menos en los ejes X e Y crea una zona de tolerancia cuadrada que permite que se aprueben piezas en las esquinas que, en realidad, no encajarán. La posición verdadera te proporciona la zona circular correcta y te ofrece un 57 % más de margen de fabricación, al tiempo que sigue garantizando el ajuste.
• Regla 4: Realiza un análisis de acumulación en los ensamblajes antes de fijar las tolerancias de cada elemento. Reducir la tolerancia de un elemento en un 50 % para solucionar un problema de acumulación suele salir más caro que rediseñar el ensamblaje para que se acumulen menos dimensiones.
• Regla 5: Solicita una revisión de DFM a Elite Mold Tech antes de enviar el plano. Lo que más solemos señalar son las tolerancias estrictas aplicadas a características no funcionales, ya sea por costumbre o por precaución. Relajar tres o cuatro de ellas por pieza suele reducir entre un 20 y un 40 por ciento el coste de mecanizado, sin que ello afecte en absoluto al funcionamiento de la pieza.

Guías y recursos relacionados de Elite Mold Tech

Guías relacionadas: Guía completa para la selección de procesos de fabricación, Mecanizado CNC de 5 ejes frente al de 3 ejes, Servicios de mecanizado CNC.

Fuentes fidedignas: Norma ISO 2768-1 sobre tolerancias generales, Normas ASME Y14.5 sobre GD&T.

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Preguntas frecuentes

¿Cuál es la tolerancia más ajustada que puede alcanzar el mecanizado CNC en la producción habitual?

En aluminio y acero estables, el fresado y torneado estándar de 3 ejes mantiene holgadamente una tolerancia de 0,05 mm en características prismáticas, con herramientas y configuración normales. Si se añaden configuraciones de precisión específicas, herramientas de alta calidad, un entorno con temperatura controlada y mediciones durante el proceso, un centro de mecanizado moderno alcanzará una tolerancia de 0,005 mm en características críticas específicas durante la producción. Ese es aproximadamente el límite práctico para el CNC estándar sin una operación de acabado posterior. Si se necesita una precisión superior a 0,005 mm —piensa en los orificios de cojinetes de precisión, las superficies de calibración o los muñones de husillo de alta precisión—, normalmente se recurre al rectificado, el bruñido o el lapeado tras el mecanizado CNC para alcanzar la cota final. Servicio de mecanizado CNC de 5 ejes alcanza los 0,005 mm en piezas complejas con múltiples caras, al mecanizarlas en una sola configuración en lugar de acumular error en los reposicionamientos. En Elite Mold Tech mantenemos una tolerancia de 0,005 mm en las características críticas del aluminio, el acero inoxidable y el titanio de grado 5 como parte de nuestra producción habitual.

¿Por qué las tolerancias estrictas aumentan tanto el coste del mecanizado CNC?

Las tolerancias ajustadas elevan los costes a través de cinco factores que se suman entre sí. En primer lugar, se reducen las velocidades de avance: unos cortes más ligeros a velocidades de avance más bajas implican más tiempo de máquina por pieza. A continuación, se multiplican las pasadas, ya que el desbaste, el semiacabado y el acabado sustituyen a la única pasada con la que se conformaba el trabajo estándar. Las herramientas también se encarecen: se necesitan herramientas más afiladas con menor excentricidad, que se sustituyen con mayor frecuencia y cuestan más cada una. Los costes de inspección aumentan, ya que cada característica de tolerancias ajustadas debe medirse y registrarse, lo que acumula tiempo de máquina de medición por coordenadas (CMM) y de operario en cada pieza. Y aumenta el desperdicio, ya que más piezas no cumplen los requisitos, y ese desperdicio se reparte entre todas las piezas buenas incluidas en el presupuesto. Los estudios de la Universidad Estatal de Ohio y Tormach lo confirman: pasar de la precisión estándar a 0,001 pulgadas (0,025 mm) cuadruplica aproximadamente el coste, y 0,0001 pulgadas (0,0025 mm) lo multiplica por unas 24 veces.

¿Qué es la norma ISO 2768-m y cuándo debo indicarla?

La norma ISO 2768-m es la clase de tolerancia media de la norma ISO 2768 sobre mecanizado general. Si se incluye en el bloque de título, se convierte en el valor predeterminado para todas las cotas que no tengan su propia indicación. Para una característica de entre 30 mm y 120 mm, ese valor por defecto es de 0,3 mm; entre 3 mm y 30 mm, es de 0,2 mm. Los equipos estándar de 3 ejes la admiten sin necesidad de ajustes especiales, y es la precisión de referencia en la mayoría de los trabajos CNC comerciales. Úsala como norma en el bloque de título de cualquier plano en el que no haya una razón de peso para aplicar tolerancias generales más estrictas. Mantiene el plano ordenado, indica al operario exactamente qué nivel de precisión esperar y te proporciona la precisión necesaria para los elementos estructurales y de carcasa que conforman la mayoría de las piezas comerciales e industriales.

¿Qué es la acumulación de tolerancias y cómo afecta al diseño de las piezas?

La acumulación de tolerancias es la variación dimensional total que se obtiene al combinar las tolerancias de varias piezas en un ensamblaje. Al atornillar los componentes entre sí de forma secuencial, la dimensión real en cualquier interfaz crítica es la suma algebraica de la variación de cada una de las piezas que la componen. En el peor de los casos, todas esas tolerancias se suman en la misma dirección a la vez. Tomemos como ejemplo un conjunto con cinco dimensiones que contribuyen a la variación, cada una de 0,1 mm, y la acumulación en el peor de los casos en la interfaz final es de 0,5 mm. Por lo tanto, si ese espacio debe mantenerse dentro de los 0,2 mm para que funcione, la acumulación falla aunque cada pieza haya superado su propia inspección. Las opciones son: ajustar las características individuales (costoso), rediseñar para reducir el número de dimensiones que contribuyen a la acumulación (la opción que nosotros elegiríamos) o utilizar métodos estadísticos para predecir la dispersión probable y aceptar que una pequeña proporción de conjuntos quede fuera del objetivo. La revisión de DFM de Elite Mold Tech abarca la acumulación en interfaces críticas cuando se solicita.

¿En qué se diferencia la tolerancia en el mecanizado CNC del acabado superficial (Ra)?

La tolerancia y el acabado superficial describen dos aspectos diferentes de una misma característica, y se especifican de forma independiente. La tolerancia, expresada en milímetros o pulgadas más-menos, se refiere al tamaño y la ubicación: qué tamaño, qué distancia, qué rectitud y qué planitud se permiten en una característica. El acabado superficial, expresado como Ra (la rugosidad media aritmética en micrómetros), se refiere a la textura, es decir, a los picos y valles microscópicos que deja el proceso de corte. Una pieza puede cumplir perfectamente con las dimensiones y, aun así, tener una superficie lo suficientemente rugosa como para desgastarse prematuramente o sellar mal. Por el contrario, una pieza puede presentar un magnífico acabado espejo de Ra 0,4 micrómetros y, aun así, ser rechazada porque sus dimensiones están fuera de tolerancias. Ambas características se especifican y se inspeccionan por separado. El fresado estándar se sitúa entre Ra 0,8 y 3,2 micrómetros. El acabado de precisión, con herramientas de punta esférica sobre aluminio y velocidades de avance ajustadas, lo reduce a un valor de Ra de 0,4 a 0,8. El rectificado y el lapeado alcanzan un valor de Ra de 0,1 o mejor para las superficies de sellado y de rodamientos más exigentes.

¿Cuál es la diferencia entre la norma ISO 2768 y la GD&T? ¿Necesito ambas?

Tienen funciones diferentes, y en la mayoría de los planos de precisión se utilizan ambas conjuntamente. La norma ISO 2768 es una norma dimensional: establece en qué medida puede variar una cota, ya sea la longitud, el diámetro, la profundidad o el ángulo. Indica cuán grande o pequeño puede ser. La GD&T (ASME Y14.5 en este caso, ISO 1101 a nivel internacional) establece en qué medida puede variar la geometría entre las características: cuán plana, cuán perpendicular, cuán redonda y con qué precisión está situada respecto a un sistema de referencia. Responde a las preguntas «qué forma» y «dónde». La mayoría de los planos comerciales establecen por defecto que todas las dimensiones lineales no especificadas se ajusten a la norma ISO 2768-m en el bloque de título, y luego aplican marcos de control de características GD&T a aquellas características en las que la forma o la posición realmente importan. A los orificios de cojinetes se les aplica la cilindricidad. A las caras de montaje, la planitud y la perpendicularidad. A los patrones de orificios, la posición real. Las paredes y cavidades no funcionales simplemente siguen la norma ISO 2768-m. Utilizadas conjuntamente, resultan más completas, menos ambiguas y más económicas que basarse en una sola de ellas.

Acerca del autor:

Alex Morgan Está especializado en contenidos técnicos para la fabricación de precisión, centrándose en el mecanizado CNC, el moldeo por inyección, la fundición a presión, la impresión 3D, la fabricación de chapa y la fabricación de moldes a medida. Con más de una década de experiencia en contenidos de fabricación B2B y SEO, crea contenidos técnicamente precisos diseñados para ingenieros, desarrolladores de productos, equipos de compras y responsables de la toma de decisiones en el sector de la fabricación. Su trabajo ayuda a los fabricantes internacionales a comunicar con claridad capacidades de producción complejas, opciones de materiales, tolerancias, procesos de utillaje y normas de calidad a clientes de Estados Unidos, Europa y la región de Asia-Pacífico. Escribe para empresas manufactureras en las que la experiencia técnica, la precisión y la fiabilidad son fundamentales.