Partes intercambiables - Interchangeable parts

Las partes intercambiables son partes ( componentes ) que, a efectos prácticos, son idénticas. Están fabricados con especificaciones que garantizan que sean tan casi idénticos que encajarán en cualquier conjunto del mismo tipo. Una de esas partes puede reemplazar libremente a otra, sin ningún ajuste personalizado, como limar . Esta intercambiabilidad permite un fácil montaje de nuevos dispositivos y una reparación más sencilla de los dispositivos existentes, al tiempo que minimiza tanto el tiempo como la habilidad requeridos por la persona que realiza el montaje o la reparación.

El concepto de intercambiabilidad fue crucial para la introducción de la línea de montaje a principios del siglo XX, y se ha convertido en un elemento importante de algunas manufacturas modernas, pero falta en otras industrias importantes.

La intercambiabilidad de piezas se logró mediante la combinación de una serie de innovaciones y mejoras en las operaciones de mecanizado y la invención de varias máquinas herramienta , como el torno de apoyo deslizante , el torno de corte de tornillo , el torno de torreta , la fresadora y la cepilladora de metales . Las innovaciones adicionales incluyeron plantillas para guiar las máquinas herramienta, accesorios para mantener la pieza de trabajo en la posición adecuada y bloques y calibres para verificar la precisión de las piezas terminadas. La electrificación permitió que las máquinas herramienta individuales funcionaran con motores eléctricos, eliminando los ejes de transmisión de las máquinas de vapor o la energía hidráulica y permitiendo velocidades más altas, haciendo posible la fabricación moderna a gran escala. Las máquinas herramienta modernas a menudo tienen control numérico (NC) que evolucionó a CNC (control numérico computarizado) cuando los microprocesadores estuvieron disponibles.

Los métodos para la producción industrial de piezas intercambiables en los Estados Unidos se desarrollaron por primera vez en el siglo XIX. El término sistema americano de fabricación se les aplicó a veces en ese momento, a diferencia de los métodos anteriores. En unas pocas décadas, estos métodos estaban en uso en varios países, por lo que el sistema estadounidense es ahora un término de referencia histórica en lugar de la nomenclatura industrial actual.

Primer uso

La evidencia del uso de piezas intercambiables se remonta a más de dos mil años hasta Cartago en la Primera Guerra Púnica . Los barcos cartagineses tenían piezas estandarizadas e intercambiables que incluso venían con instrucciones de montaje similares a "lengüeta A en la ranura B" marcadas en ellas.

En el este de Asia , durante el período de los Reinos Combatientes y más tarde la dinastía Qin , los gatillos de bronce de las ballestas y los mecanismos de bloqueo se produjeron en masa y se hicieron intercambiables.

Orígenes del concepto moderno

A finales del siglo XVIII, el general francés Jean-Baptiste Vaquette de Gribeauval promovió armas estandarizadas en lo que se conoció como el Système Gribeauval después de que se emitiera como orden real en 1765 (su enfoque en ese momento era la artillería más que los mosquetes o las pistolas . ) Uno de los logros del sistema fue que los cañones fundidos sólidos se perforaron con tolerancias precisas, lo que permitió que las paredes fueran más delgadas que los cañones vertidos con núcleos huecos. Sin embargo, debido a que los núcleos a menudo estaban descentrados, el grosor de la pared determinaba el tamaño del orificio. La perforación estandarizada permitió que los cañones fueran más cortos sin sacrificar la precisión y el alcance debido al ajuste más apretado de los proyectiles . También permitió la estandarización de los caparazones.

Antes del siglo XVIII, los armeros fabricaban de uno en uno dispositivos como las armas de fuego de una manera única. Si un solo componente de un arma de fuego necesitaba ser reemplazado, el arma completa tenía que enviarse a un armero experto para reparaciones personalizadas o desecharse y reemplazarse por otra arma de fuego. Durante el siglo XVIII y principios del XIX, se desarrolló gradualmente la idea de sustituir estos métodos por un sistema de fabricación intercambiable. El desarrollo tomó décadas e involucró a muchas personas.

Gribeauval proporcionó patrocinio a Honoré Blanc , quien intentó implementar el Système Gribeauval a nivel de mosquete. Alrededor de 1778, Honoré Blanc comenzó a producir algunas de las primeras armas de fuego con cerraduras de pedernal intercambiables, aunque fueron cuidadosamente fabricadas por artesanos. Blanc demostró ante un comité de científicos que sus mosquetes podían equiparse con cerraduras de pedernal escogidas al azar de una pila de piezas.

Los mosquetes con cerraduras intercambiables llamaron la atención de Thomas Jefferson gracias a los esfuerzos de Honoré Blanc cuando Jefferson fue embajador en Francia en 1785. Jefferson trató de persuadir a Blanc para que se mudara a Estados Unidos, pero no tuvo éxito, por lo que le escribió al Secretario de Guerra estadounidense con la idea, y cuando regresó a los Estados Unidos trabajó para financiar su desarrollo. El presidente George Washington aprobó la idea, y en 1798 se emitió un contrato a Eli Whitney por 12.000 mosquetes construidos bajo el nuevo sistema.

Louis de Tousard , que huyó de la Revolución Francesa, se unió al Cuerpo de Artilleros de Estados Unidos en 1795 y escribió un influyente manual de artillero que destacaba la importancia de la estandarización.

Implementación

Numerosos inventores comenzaron a intentar implementar el principio que Blanc había descrito. El desarrollo de las máquinas herramienta y las prácticas de fabricación necesarias supondría un gran gasto para el Departamento de Artillería de los Estados Unidos y, durante algunos años, mientras se intentaba lograr la intercambiabilidad, la fabricación de las armas de fuego producidas costaba más. En 1853, había evidencia de que las piezas intercambiables, luego perfeccionadas por las Armerías Federales, generaban ahorros. El Departamento de Artillería compartió libremente las técnicas utilizadas con proveedores externos.

Eli Whitney y un intento temprano

En Estados Unidos, Eli Whitney vio el beneficio potencial de desarrollar "piezas intercambiables" para las armas de fuego del ejército de Estados Unidos. En julio de 1801 construyó diez cañones, todos con las mismas piezas y mecanismos exactos, y luego los desmontó ante el Congreso de los Estados Unidos . Colocó las piezas en una pila mixta y, con ayuda, volvió a ensamblar todas las armas de fuego frente al Congreso, al igual que Blanc había hecho algunos años antes.

El Congreso quedó cautivado y ordenó un estándar para todos los equipos de Estados Unidos. El uso de piezas intercambiables eliminó los problemas de épocas anteriores sobre la dificultad o imposibilidad de producir piezas nuevas para equipos antiguos. Si una parte del arma de fuego fallara, se podría ordenar otra y no sería necesario desechar el arma. El problema era que las armas de Whitney eran costosas y estaban hechas a mano por hábiles trabajadores.

Charles Fitch le dio crédito a Whitney por ejecutar con éxito un contrato de armas de fuego con piezas intercambiables utilizando el Sistema Americano , pero los historiadores Merritt Roe Smith y Robert B. Gordon han determinado desde entonces que Whitney nunca logró la fabricación de piezas intercambiables. La compañía de armas de su familia, sin embargo, lo hizo después de su muerte.

Bloques de vela de Brunel

Una polea para aparejos en un velero

La producción en masa utilizando piezas intercambiables se logró por primera vez en 1803 por Marc Isambard Brunel en cooperación con Henry Maudslay y Simon Goodrich, bajo la dirección (y con las contribuciones del) General de Brigada Sir Samuel Bentham , Inspector General de Obras Navales en Portsmouth Block Mills. , Astillero de Portsmouth , Hampshire , Inglaterra. En ese momento, la Guerra Napoleónica estaba en su apogeo y la Royal Navy se encontraba en un estado de expansión que requería la fabricación de 100,000 bloques de poleas al año. Bentham ya había logrado una eficiencia notable en los muelles al introducir maquinaria motorizada y reorganizar el sistema del astillero.

Marc Brunel, un ingeniero pionero, y Maudslay, un padre fundador de la tecnología de máquinas herramienta que había desarrollado el primer torno de corte de tornillo industrialmente práctico en 1800 que estandarizó los tamaños de rosca de tornillo por primera vez, colaboraron en planes para fabricar maquinaria para fabricar bloques; la propuesta fue presentada al Almirantazgo quien acordó encargar sus servicios. En 1805, el astillero se había actualizado por completo con la revolucionaria maquinaria especialmente diseñada en un momento en que los productos todavía se fabricaban individualmente con diferentes componentes. Se requirió un total de 45 máquinas para realizar 22 procesos en los bloques, que se pudieron realizar en tres tamaños diferentes. Las máquinas estaban hechas casi en su totalidad de metal, mejorando así su precisión y durabilidad. Las máquinas harían marcas y hendiduras en los bloques para asegurar la alineación durante todo el proceso. Una de las muchas ventajas de este nuevo método fue el aumento de la productividad laboral debido a los requisitos menos intensivos en mano de obra para la gestión de la maquinaria. Richard Beamish, asistente del hijo e ingeniero de Brunel , Isambard Kingdom Brunel , escribió:

De modo que diez hombres, con la ayuda de esta maquinaria, puedan lograr con uniformidad, celeridad y facilidad, lo que antes requería el trabajo incierto de ciento diez.

En 1808, la producción anual había alcanzado los 130.000 bloques y algunos de los equipos todavía estaban en funcionamiento hasta mediados del siglo XX.

Relojes de Terry: éxito en madera

Un engranaje de madera de uno de los relojes de caja alta de Terry, que muestra el uso de dientes fresados.

Eli Terry estaba usando piezas intercambiables usando una fresadora ya en 1800. Ward Francillon, un relojero concluyó en un estudio que Terry ya había logrado piezas intercambiables ya en 1800. El estudio examinó varios de los relojes de Terry producidos entre 1800-1807. Las piezas se etiquetaron e intercambiaron según fuera necesario. El estudio concluyó que todas las piezas del reloj eran intercambiables. La primera producción en masa con piezas intercambiables en Estados Unidos fue el Contrato Porter de 1806 de Eli Terry , que requería la producción de 4000 relojes en tres años. Durante este contrato, Terry elaboró ​​cuatro mil mecanismos de movimiento de cajas altas de engranajes de madera, en un momento en que el promedio anual era de alrededor de una docena. A diferencia de Eli Whitney , Terry fabricaba sus productos sin financiación gubernamental. Terry vio el potencial de que los relojes se convirtieran en un objeto doméstico. Con el uso de una fresadora, Terry pudo producir en masa ruedas de reloj y planchas unas pocas docenas al mismo tiempo. Se utilizaron plantillas y plantillas para hacer piñones uniformes, de modo que todas las piezas pudieran ensamblarse utilizando una línea de montaje .

North y Hall: éxito en el metal

El paso crucial hacia la intercambiabilidad de piezas metálicas lo dio Simeon North , que trabajaba a pocas millas de Eli Terry . North creó una de las primeras fresadoras verdaderas del mundo para dar forma al metal que se había hecho a mano con una lima. Diana Muir cree que la fresadora de North estuvo en línea alrededor de 1816. Muir, Merritt Roe Smith y Robert B. Gordon están de acuerdo en que antes de 1832 tanto Simeon North como John Hall podían producir en masa máquinas complejas con piezas móviles (pistolas) utilizando un sistema que implicaba el uso de piezas toscamente forjadas, con una fresadora que fresaba las piezas hasta alcanzar el tamaño casi correcto, y que luego se "limaban para calibrar a mano con la ayuda de plantillas de limar".

Los historiadores difieren sobre la cuestión de si Hall o North hicieron la mejora crucial. Merrit Roe Smith cree que lo hizo Hall. Muir demuestra los estrechos lazos personales y las alianzas profesionales entre Simeon North y los mecánicos vecinos que producen en serie relojes de madera para argumentar que el proceso de fabricación de pistolas con piezas intercambiables probablemente fue ideado por North en emulación de los métodos exitosos utilizados en la producción en masa de relojes. Puede que no sea posible resolver la cuestión con absoluta certeza a menos que en el futuro aparezcan documentos que ahora se desconocen.

Finales del siglo XIX y principios del XX: difusión en la industria

Ingenieros y maquinistas calificados, muchos de ellos con experiencia en arsenal, difundieron técnicas de fabricación intercambiables a otras industrias estadounidenses, incluidos los fabricantes de relojes y máquinas de coser Wilcox y Gibbs y Wheeler y Wilson, que utilizaron piezas intercambiables antes de 1860. La máquina de coser Singer Corporation tardó en adoptar el sistema intercambiable. (Década de 1870), el fabricante de segadoras McCormick Harvesting Machine Company (de 1870 a 1880) y varios grandes fabricantes de motores de vapor como Corliss (mediados de la década de 1880), así como fabricantes de locomotoras. Las máquinas de escribir siguieron algunos años después. Luego, la producción a gran escala de bicicletas en la década de 1880 comenzó a utilizar el sistema intercambiable.

Durante estas décadas, la verdadera intercambiabilidad pasó de ser un logro escaso y difícil a una capacidad cotidiana en todas las industrias de fabricación. En las décadas de 1950 y 1960, los historiadores de la tecnología ampliaron la comprensión mundial de la historia del desarrollo. Pocas personas ajenas a esa disciplina académica sabían mucho sobre el tema hasta tan recientemente como las décadas de 1980 y 1990, cuando el conocimiento académico comenzó a encontrar audiencias más amplias. Tan recientemente como en la década de 1960, cuando Alfred P. Sloan publicó sus famosas memorias y tratado de gestión, Mis años con General Motors , incluso el presidente y director de la empresa manufacturera más grande que jamás había existido sabía muy poco sobre la historia del desarrollo, aparte de decir eso

[ Henry M. Leland fue], creo, uno de los principales responsables de llevar la técnica de las piezas intercambiables a la fabricación de automóviles. […] Me han llamado la atención que Eli Whitney, mucho antes, había iniciado el desarrollo de piezas intercambiables en conexión con la fabricación de armas, un hecho que sugiere una línea de descendencia de Whitney a Leland a la industria automotriz.

Uno de los libros más conocidos sobre el tema, que se publicó por primera vez en 1984 y ha disfrutado de un público más allá del ámbito académico, ha sido David A. Hounshell 'S Desde el Sistema Americano para la producción en masa, 1800-1932: El desarrollo de la tecnología de fabricación en los Estados Unidos .

Contexto socioeconómico

El principio de las piezas intercambiables floreció y se desarrolló a lo largo del siglo XIX y condujo a la producción en masa en muchas industrias. Se basó en el uso de plantillas y otras plantillas y accesorios , aplicados por mano de obra semicualificada utilizando máquinas herramienta para aumentar (y luego reemplazar en gran medida) las herramientas manuales tradicionales . A lo largo de este siglo hubo mucho trabajo de desarrollo por hacer en la creación de calibres , herramientas de medición (como calibradores y micrómetros ), estándares (como los de roscas de tornillos ) y procesos (como la gestión científica ), pero el principio de intercambiabilidad se mantuvo. constante. Con la introducción de la línea de montaje a principios del siglo XX, las piezas intercambiables se convirtieron en elementos omnipresentes de la fabricación.

Montaje selectivo

La intercambiabilidad se basa en las dimensiones de las piezas que se encuentran dentro del rango de tolerancia. El modo de ensamblaje más común es diseñar y fabricar de tal manera que, siempre que cada pieza que llegue al ensamblaje esté dentro de las tolerancias, el acoplamiento de las piezas puede ser totalmente aleatorio. Esto tiene valor por todas las razones ya discutidas anteriormente.

Hay otro modo de ensamblaje, llamado "ensamblaje selectivo", que renuncia a parte de la capacidad de aleatoriedad en el intercambio por otro valor . Hay dos áreas principales de aplicación que se benefician económicamente del ensamblaje selectivo: cuando los rangos de tolerancia son tan estrechos que no se pueden mantener de manera confiable (lo que hace que la aleatoriedad total no esté disponible); y cuando los rangos de tolerancia se pueden mantener de manera confiable, pero el ajuste y el acabado del ensamblaje final se maximizan al renunciar voluntariamente a parte de la aleatoriedad (lo que lo hace disponible pero no idealmente deseable). En cualquier caso, el principio de ensamblaje selectivo es el mismo: las piezas se seleccionan para el apareamiento, en lugar de hacerlo al azar. A medida que se inspeccionan las piezas , se clasifican en contenedores separados según el extremo del rango en el que se encuentran (o violan). Caer dentro del extremo superior o inferior de un rango suele denominarse pesado o ligero ; violar el extremo alto o bajo de un rango generalmente se llama sobredimensionamiento o tamaño insuficiente . A continuación se dan algunos ejemplos.

French y Vierck proporcionan una descripción de un párrafo del ensamblaje selectivo que resume adecuadamente el concepto.

Uno podría preguntarse, si las partes deben seleccionarse para el apareamiento, entonces, ¿qué hace que el ensamblaje selectivo sea diferente de los métodos artesanales más antiguos? Pero, de hecho, existe una diferencia significativa. El ensamblaje selectivo simplemente clasifica las piezas en varios rangos ; dentro de cada rango, todavía hay intercambiabilidad aleatoria. Esto es bastante diferente del antiguo método de ajuste realizado por un artesano, donde cada conjunto de piezas acopladas se archiva específicamente para ajustar cada pieza con una contraparte única y específica .

Montaje aleatorio no disponible: piezas de gran tamaño y tamaño insuficiente

En contextos donde la aplicación requiere rangos de tolerancia extremadamente ajustados (estrechos), el requisito puede superar ligeramente el límite de la capacidad del mecanizado y otros procesos (estampado, laminado, doblado, etc.) para permanecer dentro del rango. En tales casos, el ensamblaje selectivo se utiliza para compensar la falta de intercambiabilidad total entre las piezas. Por lo tanto, para un pasador que debe tener un ajuste deslizante en su agujero (libre pero no descuidado), la dimensión puede especificarse como 12,00 +0 −0,01 mm para el pasador y 12,00 +,01 −0 para el agujero. Los pines que salieron de gran tamaño (digamos un pasador de 12.003 mm de diámetro) no son necesariamente chatarra , pero solo se pueden acoplar con contrapartes que también salieron de gran tamaño (digamos un agujero de 12.013 mm). Lo mismo es cierto para luego a juego bajo piezas de tamaño con bajo homólogos de tamaño. Inherente a este ejemplo es que para la aplicación de este producto, la dimensión de 12 mm no requiere una precisión extrema , pero el ajuste deseado entre las partes requiere una buena precisión (consulte el artículo sobre exactitud y precisión ). Esto permite a los fabricantes "hacer un poco de trampa" en la intercambiabilidad total para obtener más valor del esfuerzo de fabricación al reducir la tasa de rechazo (tasa de desperdicio). Esta es una decisión de ingeniería sólida siempre que la aplicación y el contexto la respalden. Por ejemplo, para las máquinas para las que no existe la intención de ningún servicio de campo futuro de reemplazo de piezas (sino más bien un simple reemplazo de toda la unidad), esto tiene un buen sentido económico. Reduce el costo unitario de los productos y no impide el trabajo de servicio futuro.

Un ejemplo de un producto que podría beneficiarse de este enfoque podría ser una transmisión de automóvil donde no se espera que el personal de servicio de campo repare la transmisión vieja; en su lugar, simplemente cambiará por uno nuevo. Por lo tanto, la intercambiabilidad total no era absolutamente necesaria para los conjuntos dentro de las transmisiones. Se habría especificado de todos modos, simplemente por principio general, a excepción de un cierto eje que requería una precisión tan alta como para causar una gran molestia y altas tasas de desperdicio en el área de molienda, pero para el cual solo se requería una precisión decente, siempre que el ajuste con su agujero fue bueno en todos los casos. Se podría ahorrar dinero salvando muchos ejes del contenedor de desechos.

Realidades económicas y comerciales

Ejemplos como el anterior no son tan comunes en el comercio real como podría serlo, principalmente debido a la separación de preocupaciones , donde se espera que cada parte de un sistema complejo brinde un rendimiento que no haga suposiciones limitantes sobre otras partes del sistema. . En el ejemplo de la transmisión de automóviles, la separación de preocupaciones es que las empresas individuales y los clientes no aceptan la falta de libertad u opciones de otros en la cadena de suministro. Por ejemplo, desde el punto de vista del comprador de automóviles, el fabricante de automóviles "no está en su derecho" de asumir que ningún mecánico de servicio de campo reparará jamás la transmisión vieja en lugar de reemplazarla. El cliente espera que esta decisión será preservado para él para hacer más adelante, en el taller de reparaciones, sobre la base de cuál es la opción menos costosa para él en ese momento (calculando que la sustitución de un solo eje es más barato que la sustitución de una transmisión integral). Esta lógica no siempre es válida en la realidad; Podría haber sido mejor para el costo total de propiedad del cliente pagar un precio inicial más bajo por el automóvil (especialmente si el servicio de transmisión está cubierto por la garantía estándar durante 10 años, y el comprador tiene la intención de reemplazar el automóvil antes de esa fecha de todos modos) que Pague un precio inicial más alto por el automóvil pero conserve la opción de intercambiabilidad total de hasta la última tuerca, perno y eje en todo el automóvil (cuando no se va a aprovechar de todos modos). Pero el comercio es generalmente demasiado caóticamente multivariado para que prevalezca esta lógica, por lo que la intercambiabilidad total termina siendo especificada y lograda incluso cuando agrega un gasto que era "innecesario" desde una visión holística del sistema comercial. Pero esto puede evitarse en la medida en que los clientes experimenten el valor general (que sus mentes pueden detectar y apreciar) sin tener que comprender su análisis lógico. Por lo tanto, los compradores de un automóvil increíblemente asequible (precio inicial sorprendentemente bajo) probablemente nunca se quejarán de que la transmisión no se pueda reparar en el campo siempre que ellos mismos nunca hayan tenido que pagar por el servicio de transmisión durante la vida útil de su propiedad. Este análisis puede ser importante para que el fabricante lo comprenda (incluso si el cliente no lo capta), ya que puede forjarse una ventaja competitiva en el mercado si puede predecir con precisión dónde "tomar atajos" de manera que el cliente lo haga. nunca tendrás que pagar. Por lo tanto, podría darse un costo unitario de transmisión más bajo. Sin embargo, debe estar seguro cuando lo haga para que las transmisiones que esté usando sean confiables, porque su reemplazo, al estar cubierto por una garantía larga, correrá a su cargo.

Montaje aleatorio disponible pero no idealmente deseable: piezas "ligeras" y "pesadas"

La otra área principal de aplicación para el ensamblaje selectivo se encuentra en contextos donde de hecho se logra una intercambiabilidad total, pero el "ajuste y acabado" de los productos finales se puede mejorar minimizando el desajuste dimensional entre las partes acopladas. Considere otra aplicación similar a la anterior con el pin de 12 mm. Pero digamos que en este ejemplo, no solo es importante la precisión (para producir el ajuste deseado), sino que la precisión también es importante (porque el pasador de 12 mm debe interactuar con algo más que tendrá que tener un tamaño exacto de 12 mm). Algunas de las implicaciones de este ejemplo son que no se puede reducir la tasa de rechazo; todas las piezas deben estar dentro del rango de tolerancia o ser desechadas. Por lo tanto, no se pueden obtener ahorros al rescatar piezas de tamaño demasiado grande o pequeño de la chatarra. Sin embargo, no es todavía un bit del valor que se tendrán de montaje selectivo: que tienen todos los pares acoplados tienen tan cerca de ajuste deslizante idéntica como sea posible (a diferencia de algunas uniones más apretadas y algunos más flexibles única para todos deslizante, pero con resistencia variable) .

Un ejemplo de un producto que podría beneficiarse de este enfoque podría ser una máquina herramienta de grado de sala de herramientas , donde no solo es muy importante la precisión, sino también el ajuste y el acabado.

Ver también

Referencias

Bibliografía

Otras lecturas

enlaces externos