¿Le cotizan caro sus piezas mecanizadas? El culpable casi siempre es el exceso de tolerancias. Esta guía basada en datos muestra exactamente por qué las tolerancias más estrictas aumentan los gastos de mecanizado CNC y ofrece consejos prácticos de DFM (diseño para la fabricación) para reducir los costes sin sacrificar la función.
Las tolerancias más estrictas aumentan los gastos de mecanizado CNC porque requieren maquinaria más avanzada (como 5 ejes frente a 3 ejes), tiempos de ciclo de mecanizado significativamente más lentos y costosos procesos secundarios como el rectificado de precisión. También obligan a una inspección 100% en MMC y provocan mayores tasas de desecho, todo lo cual añade un coste exponencial.
En el post completo, desglosaremos los multiplicadores de coste específicos para cada nivel de tolerancia. También obtendrá un kit de herramientas DFM de 3 pasos para evitar el exceso de ingeniería y reducir su próximo presupuesto de mecanizado.
Una mirada basada en datos: Cómo las tolerancias aumentan exponencialmente los costes
Lo primero que hay que entender es que la relación entre tolerancia y coste es no es lineal, sino exponencial.
Una tolerancia 50% más ajustada no equivale a un aumento 50% del coste. A medida que se reducen las micras, el precio aumenta drásticamente. ¿Por qué? Porque se están superando los límites físicos de la máquina, el material e incluso el entorno.
Veamos los datos. Basándonos en el análisis de miles de presupuestos del sector, surge un patrón claro. Si fijamos una tolerancia "estándar" (por ejemplo, $pm 0,1\text{mm}$) como nuestro coste 1x de referencia, el impacto de endurecerla es más o menos el siguiente:
| Rango de tolerancia (bilateral) | Proceso típico | Factor de coste relativo |
|---|---|---|
| $\pm 0,1\text{mm}$ (o $\pm 0,004″$) | CNC estándar de 3 ejes | 1x (Línea de base) |
| $\pm 0,05\text{mm}$ (o $\pm 0,002″$) | CNC de precisión | 1,5x - 2x |
| $\pm 0,01\text{mm}$ (o $\pm 0,0004″$) | Precisión + Operaciones secundarias | 4x - 8x |
| $< \pm 0,005\text{mm}$ (o $< \pm 0,0002″$) | Rectificado / lapeado | > 10x |
Este gráfico debería ser una llamada de atención. Esa marca de 0,01 mm en su dibujo le está diciendo al fabricante que le cobre entre 4 y 8 veces más por esa característica.
Muchos de nosotros conocimos la Función de pérdida de calidad Taguchi en la escuela, a menudo representada como $L = k(y-m)^2$. Esta fórmula explica perfectamente por qué pasa esto.
Afirma que el coste (o "pérdida", $L$) no es sólo un cambio de aprobado/no aprobado que se produce cuando uno se "sale de las especificaciones". El coste empieza a crecer exponencialmente (el término al cuadrado) en el instante en que una dimensión ($y$) se desvía de su objetivo perfecto ($m$).
Como ingeniero, cuando exiges una tolerancia ínfima, nos obligas a nosotros, los fabricantes, a luchar contra ese término al cuadrado. Tenemos que gastar una cantidad exponencial de dinero (la constante $k$) en mejores máquinas, procesos más lentos e inspección avanzada sólo para mantener esa desviación cercana a cero.
No se trata sólo de una opinión de fabricación, sino de un principio básico del buen diseño. El sitio Norma ASME Y14.5-el reglamento literal de GD&T-se basa en el concepto de que debes "especificar tolerancias no más estrictas de lo necesario para garantizar un funcionamiento correcto". Según esta definición, el exceso de tolerancia no es oficialmente una buena práctica.
Desembalar la caja negra: ¿Adónde va a parar ese coste adicional?
Por lo tanto, se ve el multiplicador de costes, pero por qué ¿Ocurre? Ese dinero extra no es sólo beneficio. Está directamente ligado a los procesos físicos que obligas a adoptar al fabricante.
Cuando vemos una tolerancia ajustada, tenemos que cambiar todo sobre cómo fabricamos su pieza.
Proceso, máquinas y tiempo
Es el coste más directo. Su tolerancia dicta la máquina, la velocidad y el propio proceso.
- Tolerancia estándar ($\pm 0,1\text{mm}$): Podemos mecanizar esta pieza en una fresadora CNC estándar de 3 ejes. Utilizaremos una velocidad de avance rápida y a menudo podremos completar la pieza en una sola pasada. Esto es rápido y económico.
- Tolerancia de precisión ($\pm 0,02\text{mm}$): Esta tolerancia desencadena una "pasada de acabado". Tenemos que ralentizar la máquina, realizar un corte mucho menos profundo y, posiblemente, utilizar una herramienta nueva para evitar la desviación. También es posible que tengamos que parar y medir la pieza varias veces. Esto puede aumentar fácilmente el tiempo del ciclo de mecanizado en 200%.
- Tolerancia de ultraprecisión ($< \pm 0,01\text{mm}$): Ya no está comprando un simple Servicio de fresado CNC. Para mantener esta tolerancia, nos vemos obligados a pasar su pieza a un proceso completamente diferente y mucho más caro. Es posible que tengamos que fresar la pieza con CNC primeroy luego enviarlo a una sala de clima controlado para rectificado de precisión o EDM (Mecanizado por descarga eléctrica). La tarifa horaria de estas máquinas puede ser 5 veces superior a la de un CNC estándar.
El coste oculto del control de calidad (CC)
¿Cómo se pruebe una pieza está dentro de la tolerancia? Se trata de un enorme coste oculto.
- Tolerancia estándar: Podemos utilizar calibres o un micrómetro. Haremos una muestra estadística, quizá comprobando 1 de cada 10 piezas. Esto lleva unos segundos.
- Tolerancia de precisión: Los calibradores ya no son lo suficientemente precisos. Acaba de ordenar el uso de un MMC (máquina de medición por coordenadas). Una MMC es un equipo de metrología lento y extremadamente caro. Ahora tenemos que detener la producción y 100% inspeccionar cada pieza. Programar y ejecutar una comprobación de la MMC puede suponer entre 5 y 15 minutos de coste puro sin valor añadido. a cada pieza que pida.
El precio del riesgo y la chatarra
Por último, cuando se pide la perfección, hay que pagar el riesgo de fracasar.
- Tolerancia estándar: Nuestro proceso es estable. Tenemos un amplio margen de error y nuestra tasa de desechos es muy baja (por ejemplo, < 2%).
- Tolerancia de precisión: El juego cambia. Ahora, una pequeña vibración, un cambio de un grado en la temperatura ambiente que provoque dilatación térmica o un desgaste microscópico de la herramienta pueden hacer que la pieza esté "fuera de especificación". Nuestra tasa de piezas desechadas aumentará inevitablemente, quizás hasta 5% o 10%.
Como fabricantes debe incluya este riesgo en su presupuesto. El coste previsto de la chatarra 5-10% se incluye directamente en el precio unitario. Al relajar una tolerancia no crítica, nos ayuda directamente a reducir nuestro riesgo y, a su vez, podemos ofrecerle un precio más bajo.
Su kit de herramientas DFM: Cómo reducir inmediatamente los costes de mecanizado
Conocer por qué tolerancias son caras es sólo la mitad de la batalla. Ahora, hablemos de lo que puede hacer al respecto.
Estas prácticas Diseño para la fabricación (DFM) consejos son las herramientas que necesita para resolver el problema del exceso de ingeniería y reducir significativamente sus costes.
Separar lo "crítico" de lo "no crítico"
Esta es la regla de oro del diseño rentable. En cualquier dibujo de una pieza, 90% de las características son probablemente "no críticos". Simplemente tienen que existir; su tamaño exacto no es vital para el funcionamiento de la pieza.
Tu trabajo como diseñador es identificar los 10% que son crítico. Pregúntese: ¿tiene esta función un impacto directo montaje, ajuste o funcionamiento?
- ¿Un agujero para un cojinete a presión? Crítico.
- ¿Una superficie que se acopla a otra pieza? Crítico.
- ¿El perfil exterior de una caja de plástico? Probablemente no crítico.
- ¿Un bolsillo empotrado para un logotipo? Definitivamente no crítico.
Aplique sus estrictas tolerancias sólo a las características críticas. Para todo lo demás, relájate.
Evite el exceso de ingeniería en su diseño
Nuestros expertos en DFM le ayudan a encontrar el equilibrio perfecto entre tolerancia y coste. Obtenga hoy mismo una revisión gratuita de DFM para ver cómo puede reducir los costes de las piezas sin sacrificar la función.
Utilizar GD&T de forma más inteligente (a menudo es más barato)
Existe la idea errónea de que el Dimensionado y Tolerado Geométrico (GD&T) es siempre caro. Esto es incorrecto. Si se utiliza correctamente, el GD&T puede ser significativamente más barato que utilizando tolerancias lineales estrechas (±).
He aquí un ejemplo habitual: Imagine que tiene cuatro orificios de montaje que deben alinearse con otra pieza.
- El camino caro: Se pone una tolerancia lineal ajustada (por ejemplo, $\pm 0,01\text{mm}$) en las coordenadas X e Y para los cuatro agujeros. Esto obliga al maquinista a perseguir la perfección en ocho dimensiones diferentes.
- La forma más rentable: Utiliza un Posición real para controlar el ubicación relativa de los cuatro agujeros entre sí, y luego se relajarse la tolerancia lineal para cada orificio individual.
Esto indica al maquinista lo que realmente importa (el patrón de orificios), permitiéndole utilizar un proceso más estándar y económico para colocar los orificios. Usted obtiene la función que necesita, por una fracción del coste.
Adoptar tolerancias generales (como ISO 2768-m)
Es la forma más sencilla y eficaz de ahorrar dinero. En lugar de dejar que la tolerancia predeterminada (y a menudo estricta) del bloque de título de su software CAD controle cada característica, especifique un estándar de tolerancia general.
Tuvimos un cliente de inicio venir a nosotros con una hermosa carcasa de aluminio. Su bloque del título tenía una tolerancia por defecto de $\pm 0,05{text}{mm}$ para todo. El presupuesto era, como era de esperar, muy alto.
Nuestro ingeniero les llamó y les preguntó: "¿Realmente necesitan este bolsillo para el logotipo y estas curvas exteriores sujetas a $\pm 0,05\text{mm}$?".
El diseñador se sorprendió: "Oh, cielos, no. Sólo son críticos los agujeros de montaje de la placa de circuito impreso".
Les sugerimos que mantuvieran la tolerancia ajustada en esos pocos orificios, pero que añadieran una nota al dibujo: "SALVO QUE SE ESPECIFIQUE LO CONTRARIO, TODAS LAS DIMENSIONES POR ISO 2768-m."
Esa frase nos permitió utilizar nuestros procesos estándar y económicos para 95% de la pieza. Volvimos a cotizar el trabajo, y el nuevo precio fue de 1,5 euros por pieza. 40% inferior. Ese es el poder de comunicar tu intención.
Trampas de la industria: 3 errores caros que los ingenieros pasan por alto
Incluso con el kit de herramientas DFM perfecto, hay tres trampas ocultas en las que vemos caer a los ingenieros todo el tiempo. Son las reglas "no escritas" de la fabricación que pueden inflar silenciosamente su presupuesto.
Trampa 1: El apilamiento de tolerancias en el postprocesado
Debe diseñar para el todo no sólo el mecanizado. El tratamiento térmico y los acabados superficiales (como el anodizado) no son solo estéticos, sino que modifican físicamente la pieza.
Caso 1: La pesadilla del tratamiento térmico.
Teníamos una pieza de acero 4140 en la que el ingeniero especificó una planitud de $0.02\text{mm}$ después de tratamiento térmico a HRC 58. ¿Cuál es el problema? Acero 4140 se alabeo durante el endurecimiento, a menudo en más de $0,1{texto}{mm}$. Para cumplir esa especificación, tuvimos que añadir un paso completamente nuevo y costoso: rectificado de precisión la parte después de se endureció. Esa única nota en el dibujo multiplicó por 5 el coste de la pieza.
Caso 2: La ilusión del anodizado.
Un cliente diseñó un puerto USB-C con una tolerancia de $pm 0,02{texto}{mm}$ después de negro anodizado. Pero el anodizado de tipo II añade una capa de material. Para alcanzar esa dimensión final, tuvimos que mecanizar la pieza bruta a un increíblemente apretado $\pm 0,007\texto{mm}$ para compensar la acumulación de anodizado. El ingeniero pensaba que estaba especificando una tolerancia estándar, pero en realidad nos había obligado a un proceso de ultraprecisión.
Trampa 2: La "apuesta" de una cotización baja
Se trata de un dato fundamental. Puede que reciba dos presupuestos: uno nuestro por $180 y otro de una tienda pequeña por $100. El presupuesto de $100 es tentador, pero es una trampa. El presupuesto de $100 es tentador, pero es una trampa.
Esa cita de $100 es una "apostar". La tienda está apostando que pueden alcanzar sus tolerancias en su máquina estándar. No utilizarán una MMC y cuentan con que usted no comprobará todas las piezas. Recibirá piezas con una consistencia terrible, lo que provocará fallos de montaje y situaciones de avería.
Nuestro presupuesto $180 no es una "tasa de tramitación"; es una "garantía de tramitación". Ese precio incluye el uso de nuestra máquina de alta precisión, un entorno climatizado y la inspección 100% CMM. No está pagando por el mecanizado; está pagando por la certeza que todas las piezas que reciba sean idénticas y se ajusten a las especificaciones.
Trampa 3: La paradoja del "dibujo tonto
Los ingenieros suelen pensar que un dibujo "limpio" con una tolerancia simple y predeterminada en el bloque del título (por ejemplo, $pm 0,05{text}{mm}$ para todo) es profesional.
En fabricación, es el dibujo más caro que se puede hacer.
Lo llamamos "dibujo tonto" porque no nos da ningún contexto. Tenemos que asuma cada característica -cada chaflán, cada radio, cada arista no crítica- es vital. Para protegernos, debemos utilizar nuestro proceso más preciso, más lento y más caro para toda la pieza.
Un "dibujo inteligente" hace lo contrario. Utiliza la norma ISO 2768-m para las características generales y sólo indica las 3-4 tolerancias críticas. Este dibujo "inteligente", al darnos contexto, nos permite utilizar procesos económicos en 95% de la pieza, a menudo ahorrándote 30% sin cambios funcionales.
Del presupuesto al socio: Una forma más inteligente de fabricar
Las piezas más rentables no se "diseñan" y luego se "cotizan". Son el resultado de colaboración temprana entre usted, el diseñador, y nosotros, el fabricante.
No debería tener que asumir usted solo el coste de un exceso de ingeniería o navegar por las complejidades de los procesos de fabricación. El objetivo es conseguir que su pieza funcione al mejor precio posible.
Esta es su llamada a la acción:
- Pruébelo en su próximo diseño: En su siguiente pieza no crítica, aplique el ISO 2768-m norma general de tolerancia y vea lo que ocurre con sus cotizaciones.
- Permítanos ayudarle directamente: ¿Está mirando un dibujo ahora mismo y se pregunta si sus tolerancias son demasiado estrechas?
Deja de adivinar. Cargue su archivo CAD en nuestro portal seguro hoy mismo. Nuestro equipo de ingenieros le proporcionará un informe gratuito y profesional de DFM (diseño para la fabricación). Le indicaremos exactamente qué tolerancias están incrementando su precio y le sugeriremos cambios específicos para reducir costes, todo ello antes de que realice un pedido.
Trabajemos juntos para fabricar piezas mejores y más económicas y detener el ciclo de cómo las tolerancias más estrictas aumentan el gasto en mecanizado CNC.
Referencias y notas
[1] Función de pérdida de calidad de Taguchi: Se refiere a la filosofía de ingeniería promovida por el Dr. Genichi Taguchi, según la cual cualquier desviación de un valor nominal objetivo supone una "pérdida" para la sociedad. Este modelo de pérdida cuadrática ($L = k(y-m)^2$) es un concepto fundamental en Six Sigma y el control de calidad moderno, que explica matemáticamente por qué conseguir tolerancias "más ajustadas" (minimizando la desviación $y-m$) incurre en costes de fabricación exponencialmente más altos ($k$).
[2] ASME Y14.5: Es la norma de acotación y tolerancias geométricas (GD&T) publicada por la Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos. Proporciona el lenguaje simbólico y las reglas utilizadas en los planos de ingeniería para definir la variación admisible de las características. El principio citado es fundamental para la DFM, ya que garantiza que las tolerancias se especifican en función de la función y no de valores predeterminados.
[3] ISO 2768-m: Se trata de una norma ISO para tolerancias generales de dimensiones lineales y angulares sin indicaciones de tolerancia individuales. La "-m" designa la clase "media" (mittlere), que es una norma común y económica para características en las que la función no se ve afectada de forma crítica por la variación dimensional.
