UNIVERSIDAD DE PLAYA ANCHA FACULTAD DE ARTE - DIBUJANTE PROYECTISTA DIBUJO MECÁNICO MECÁNICO III III (DP1 – 5542)
TRABAJO DE INVESTIGACIÓN
CUBICACIÓN
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Valparaíso 2010
ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………….............
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OBJETIVOS………………………………………………………………….............
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PIEZA MECÁNICA.............................
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3.1 Dibujos de producción…………………………………………………………..
ELECCIÓN DE LA FORMA INICIAL DEL ELEMENTO ………………………….
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5.
NOCIONES BASE PARA EL ESTUDIO DE LOS CICLOS DE FAB. …………..
6.
CUBICACIÓN ………………………………………………………………………….
7.
DESCOMPOSICIÓN GEOMÉTRICA……………………………………………….
8.
DEFINICIÓN DE VOLUMEN………………………………………………………..
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9.
FÓRMULAS DE ÁREA ÁREA Y VOLUMEN DE CUERPOS CUERPOS GEOMÉTRICOS GEOMÉTRICOS………
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10.
MEDICIÓN …………………………………………………………………………….
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11.
UNIDADES DE USO COMÚN EN EL DISEÑO DE MÁQUINAS……………….
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12.
INSTRUMENTOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN………………………………………………….. 16 CONCEPTOS DE MASA Y PESO…………………………………………………. 16
13.
13.1 Definición de masa……………………………………………………………. 13.2 Instrumentos para medir la masa de un cuerpo…………………………… 13.3 Definición de peso…………………………………………………………….. 13.4 Instrumentos para medir el peso de un cuerpo……………………........... 14.
CONCEPTOS DE DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO…………………............. 14.1 Densidad………………………………………………………………………… 14.2 Peso específico………………………………………………………………….
15.
LOS METALES…………………………………………………………...................
....................................... ............................ ......................... ............ PROPIEDADES DE LOS METALES........................ 16.1 Propiedades mecánicas……………………………………………………….
8 9 10
16 19 19 20 20 20 22 23 23 24 25
16.2 Propiedades físicas……………………………………………………………. 26 16.3 Propiedades tecnológicas……………………………………………………. 29 ....................................... ............................ ................. .... CLASIFICACION CLASIFICACION DE LOS MATERIALES........................
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Valparaíso 2010
ÍNDICE Pág. INTRODUCCIÓN …………………………………………………………….............
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OBJETIVOS………………………………………………………………….............
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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PIEZA MECÁNICA.............................
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3.1 Dibujos de producción…………………………………………………………..
ELECCIÓN DE LA FORMA INICIAL DEL ELEMENTO ………………………….
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5.
NOCIONES BASE PARA EL ESTUDIO DE LOS CICLOS DE FAB. …………..
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CUBICACIÓN ………………………………………………………………………….
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DESCOMPOSICIÓN GEOMÉTRICA……………………………………………….
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DEFINICIÓN DE VOLUMEN………………………………………………………..
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FÓRMULAS DE ÁREA ÁREA Y VOLUMEN DE CUERPOS CUERPOS GEOMÉTRICOS GEOMÉTRICOS………
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MEDICIÓN …………………………………………………………………………….
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UNIDADES DE USO COMÚN EN EL DISEÑO DE MÁQUINAS……………….
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INSTRUMENTOS INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN………………………………………………….. 16 CONCEPTOS DE MASA Y PESO…………………………………………………. 16
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13.1 Definición de masa……………………………………………………………. 13.2 Instrumentos para medir la masa de un cuerpo…………………………… 13.3 Definición de peso…………………………………………………………….. 13.4 Instrumentos para medir el peso de un cuerpo……………………........... 14.
CONCEPTOS DE DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO…………………............. 14.1 Densidad………………………………………………………………………… 14.2 Peso específico………………………………………………………………….
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LOS METALES…………………………………………………………...................
....................................... ............................ ......................... ............ PROPIEDADES DE LOS METALES........................ 16.1 Propiedades mecánicas……………………………………………………….
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16.2 Propiedades físicas……………………………………………………………. 26 16.3 Propiedades tecnológicas……………………………………………………. 29 ....................................... ............................ ................. .... CLASIFICACION CLASIFICACION DE LOS MATERIALES........................
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........................................ ............................ .......................... ......................... ............. PLANO PIEZA MECANICA..........................
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........................................ .......................... ............................ ................ .. DESCOMPOSICIÓN DE ÁREAS............................
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CONCLUSIONES…………………………………………………………………….
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BIBLIOGRAFÍA ……………………………………………………………………… LINKOGRAFÍA ………………………………………………………………………
1. INTRODUCCIÓN El verbo cubicar , según el Diccionario de la Lengua significa “multiplicar un número por su cuadrado”; explicación que aun cuando se ajusta a la acepción matemática de la palabra, no satisface completamente el concepto ni la aplicación que siempre ha tenido en los usos industriales. Es aquí donde el verbo cubicar representa el arte de relacionar la solidez de cualquier cuerpo con la del cubo. Una breve explicación de lo que se entiende por cubicación sería buscar la figura en 3 dimensiones que más se acerque a la figura que queremos cubicar y repetir este paso con cada parte de nuestra figura, de este modo conseguiremos tener una aproximación del volumen total que la pieza ocupa en el espacio. Se puede realizar además por cálculo a partir de las coordenadas de los vértices. En el área mecánica, mecánica, la cubicación cubicación es una actividad de real importancia ya que, el hecho de determinar las formas y las dimensiones de un objeto antes de que éste exista físicamente produce un efecto favorable para la industria, ya sea en tiempo o en costos de fabricación. Es por eso un hecho importante en la confección de un conjunto mecánico son los elementos y materiales que se usaran en ellos, siendo los materiales el principal recurso. El Cubicar Cubicar es un proceso de carácter carácter obligatorio obligatorio ya sea antes o después después de realizar realizar un proyecto según sea el caso, está asociado al área de competencia y de sacar el mayor provecho al costo del producto. En el área mecánica mecánica el objetivo objetivo es realizar realizar la confección confección de un órgano de máquina máquina o un conjunto conjunto mecánico mecánico siendo capaces de visualizar visualizar presupuesto de elementos, elementos, materiales materiales y volúmenes, tomando en cuenta aspectos como las herramientas de medida, la medida en si, las unidades de medida, las dimensiones, los materiales, el peso especifico de un material, los cuales serán tratados a continuación en este trabajo. En la productividad productividad de un producto producto cabe notar dos factores factores claves que son la calidad calidad y la economía, la cual muchas veces es el primer punto que se analiza. La mayoría de los proyectos surgen a partir de licitaciones, concursos y/o postulaciones. Es por eso la importancia de realizar una buena cubicación para así lograr obtener un producto de calidad y a precio competitivo en el mercado.
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2. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
El objetivo general de este informe es realizar una recopilación de antecedentes relacionados con el concepto “cubicación”, investigando en diversas fuentes para aplicar los conocimientos del dibujo técnico y la geometría a la cubicación de piezas mecánicas. Al término del trabajo se espera que se encuentre en las condiciones de aplicar las herramientas de la cubicación de obras de ingeniería, aplicando las técnicas de cubicación en diversos tipos de proyectos. El objetivo es que los alumnos y alumnas sean capaces de cubicar, cuantificar y cotizar los elementos, materiales, superficies y volúmenes necesarios para la construcción de un proyecto de ingeniería. OBJETIVOS ESPECÍFICOS • • • • •
Saber qué es “cubicación”. Conocer su importancia en el área mecánica. Qué factores tomar en cuenta para realizar un buen trabajo de cubicación. Qué herramientas nos ayudan al cubicar. La importancia de la medida y la medición.
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3. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA PIEZA MECÁNICA Esta es una actividad intelectual que como premisa requiere de dos facultades por parte de la persona o personas que la realizan y son el conocimiento y el ingenio. El conocimiento que se logra a través del estudio, la experiencia y la práctica, y el ingenio lo podemos definir como la facultad de crear o resolver problemas con presteza y facilidad. El proceso de diseño y construcción de una pieza mecánica se inicia mediante la identificación clara y detallada de los requerimientos que tienen, tanto el cliente como el fabricante, sobre el elemento a diseñarse, así como las limitaciones asociadas tales como son las económicas, de salud, medioambientales, sociales, físicas o técnicas, de mantenimiento, etc., el siguiente paso es la elaboración de las posibles soluciones o alternativas a estas limitaciones, entendiéndose que no siempre se pueden satisfacer todas en sumo grado y que siempre se deberá, definir los limites en forma de rangos o tolerancias para las mismas, luego se hace el diseño de la producción, es decir, cuales son los pasos a seguir tanto para la manufactura propiamente dicha, como para los procesos de soporte, logística de recursos, control de calidad, ventas, servicios pos ventas, etc. La actividad de diseño de partes mecánicas actualmente lleva una connotación muy importante que involucra fundamentalmente la capacidad de ser reemplazada con facilidad, ya que generalmente esta sometida a procesos erosivos o de desgaste, que exigen su cambio en un periodo de tiempo determinado, esto toma relevancia en la medida de que la producción industrial exige muy altas disponibilidades de los equipos ya que se procura reducir costos fijos de esta manera, así como un retorno de la inversión en el menor plazo posible. 3.1 DIBUJOS DE PRODUCCIÓN
El dibujo de producción es una descripción completa del tamaño y la forma del objeto. Se compone de dos partes: las vistas y las dimensiones (Figura 1). Las personas que lean un dibujo de producción podrán visualizar cabalmente, por medio de las vistas, los objetos que han de hacerse. Si el dibujo de producción o taller fue elaborado correctamente, es fácil captar con exactitud lo que el diseñador tiene en mente. Esta aptitud de visualizar o de “pensar en tres dimensiones” es esencial para el diseñador, el dibujante y las personas que habrán de fabricar o construir el objeto. A fin de construir un objeto se necesita saber el tamaño exacto de cada parte. Las dimensiones indican el tamaño y la forma de cada parte del diseño. Por ejemplo, pueden
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describir tamaños grandes medidos en cientos de metros, así como medidas extremadamente pequeñas, en milímetros.
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Figura 1 Soporte de fundición.
4. ELECCIÓN DE LA FORMA INICIAL DE UN ELEMENTO Para poder definir un ciclo de fabricación cn exactitud que responda a las exigencias reales de la producción, es necesario disponer de los datos siguientes: 1) Dibujo definitivo de la pieza; debe contener con exactitud: a) Cotas completas; b) Tolerancias de fabricación; c) Indicaciones de los signos de mecanización para cada superficie; d) Indicaciones de los tratamientos térmicos (cementación, temple, bonificación); e) Calidad del material 2) Cantidad de piezas a construir; 3) Producción diaria; 4) Maquinaria disponible; 5) Situación de la maquinaria de taller; 6) Posibilidad de adquisición de otra maquinaria; 7) Utillajes disponibles; 8) Posibilidad de desplazar la maquinaria a posiciones mas convenientes
5. NOCIONES BASE PARA EL ESTUDIO DE LOS CICLOS DE FABRICACIÓN Antes de pasar al proyecto de una serie completa de utillajes, necesarios para realizar un determinado elemento mecánico, es indispensable establecer un programa de trabajo. Dicho programa, llamado mas propiamente “ciclo de fabricación”, debe representar una sucesión ordenada de operaciones tecnológicas aptas para transformar gradualmente un elemento en bruto en acabado; en el ciclo, por tanto deben estar reflejadas todas las operaciones de máquina-herramienta, ajuste, tratamiento térmico, control, etc. Un ciclo de fabricación asume una importancia fundamental, por cuanto de él depende la elección del tipo de máquina, sistema de utillajes, la precisión y el corte de la pieza. A este propósito, debemos destacar que un ciclo de fabricación irracional provoca una serie de consecuencias que determinan efectos contrarios a los previstos; utillajes más complicados y costosos, escasa precisión, coste elevado. Es evidente, también, la
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necesidad de tener en cuenta el equipo del taller: máquinas-herramientas, utillajes, herramientas, calibres, etc.
6. CUBICACIÓN La cubicación consiste en evaluar y calcular en unidades cúbicas el volumen de un cuerpo, es decir, determinar la capacidad o volumen de un cuerpo, o la capacidad de un hueco, conociendo sus dimensiones. Esta actividad resulta imprescindible en el proceso de fabricación de una pieza y debe realizarse en forma ordenada de manera que sea fácilmente interpretada. Quien realiza esta labor debe traducir y, al mismo tiempo, entender la información entregada en un dibujo de producción, ya que éste debe proporcionar todos los detalles dimensionales necesarios para terminar una pieza. También debe dar instrucciones completas al fabricante acerca de cómo será hecho el objeto, permitiéndole así, obtener una idea de acción y de esta forma saber los kilos de acero, cantidad y forma de las piezas a utilizar en el proyecto. Una de las dificultades de la cubicación consiste en la forma irregular de los cuerpos, que no permite apreciar rigurosamente sus tres dimensiones, pero esta actividad que sólo se encuentra en las construcciones mecánico-industriales tiene fácil resolución. En este caso como la cubicación se dirige a averiguar el peso que tendrían las piezas siendo de hierro, bronce, etc. basta dividir el producto de todas las dimensiones por un número que representa el peso especifico de la materia relacionada con los pesos convencionales del comercio. Ocurre también en las construcciones mecánicas la necesidad de reconocer el volumen de un modelo, para saber el peso que tendrá después de fundido; esta averiguación hecha por procedimientos geométricos sería muy difícil en la forma complicada de los engranajes, por dar un ejemplo; esta actividad se previene relacionando el peso específico del modelo con el del metal que ha de emplearse para lo cual ya se conocen los números que multiplicados por el peso efectivo del modelo dan el de la pieza fundida.
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7. DESCOMPOSICIÓN GEOMÉTRICA Todo elemento de máquina o estructura, cuando se descompone en sus formas básicas, consta de formas geométricas simples. Estas conformaciones geométricas son el prisma, el cilindro, el cono y la esfera. Por ejemplo, la configuración del soporte de la Figura 2 está constituida por formas básicas simples, como muestra la Figura 3, incluso los orificios se consideran como cilindros.
Figura 2 Soporte de eje
Figura 3 Sus elementos geométricos
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Figura 4 Dimensiones de tamaño y localización
8. DEFINICIÓN DE VOLUMEN El volumen es la medida del espacio ocupado por un cuerpo. La cantidad de espacio tridimensional que ocupa un objeto. El volumen de los cuerpos es el resultado de sus tres dimensiones: ancho, alto y profundidad. El volumen resulta de la relación entre peso (masa) y densidad ya que la densidad se define como el cociente (división) entre la masa y el volumen. El procedimiento a seguir para medir el volumen de un objeto, dependerá del estado en que se encuentre: gaseoso, líquido o sólido. En el caso de nubes gaseosas el volumen varia considerablemente según la temperatura y presión; también depende de si esta o no contenido en un recipiente y, si lo esta, adoptara la forma y el tamaño de dicho recipiente. Si la masa gaseosa esta disuelta en la atmosfera, es difícil precisar que se entiende por volumen. Para medir el volumen de un líquido, se emplean diversos recipientes graduados, dependiendo de la exactitud con la que se desee conocer dicho volumen. Algunos sólidos tienen formas sencillas y su volumen puede calcularse en base a la geometría clásica. Por ejemplo, el volumen de un sólido puede calcularse aplicando conocimiento que proviene de la geometría.
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9. FÓRMULAS DE ÁREA Y VOLUMEN DE CUERPOS GEOMÉTRICOS
FIGURA
ESQUEMA
ÁREA
VOLUMEN
Cilindro
Esfera
Cono
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Cubo
Prisma
Pirámide
10. MEDICIÓN El término medición se refiere al hecho de comparar una cantidad con su respectiva unidad, con el fin de averiguar cuántas veces la segunda está contenida en la primera. En otras palabras una medición es la determinación de la proporción entre la dimensión o suceso de un objeto y una determinada unidad de medida. Para hacer posible la medición, la dimensión del objeto y la unidad deben ser de la misma magnitud. El resultado de medir es conocido como medida. Al realizar una medición, se debe tener cuidado para no alterar el sistema que se observa. De todas formas, hay que considerar que siempre las medidas se realizan con algún tipo de error, ya sea por las imperfecciones del instrumental, las limitaciones del medidor o los errores experimentales. El patrón que permite realizar las mediciones se conoce como unidad de medida y debe cumplir con tres condiciones básicas: 1. Ser inalterable (no puede cambiar con el tiempo ni en función de quién realice la medida) 2. Ser universal (puede ser utilizado en todos los países) y 3. Ser fácilmente reproducible.
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Cuando una medición se concreta a través de un instrumento de medida, se habla de una medición directa. En cambio, en los casos en que no existe el instrumento adecuado (porque el valor a medir es muy grande o muy pequeño, por ejemplo), la medición se realiza a través de una variable que permite calcular otra distinta. En estos casos, se dice que la medición es indirecta.
11. UNIDADES DE USO COMÚN EN EL DISEÑO DE MÁQUINAS UNIDAD DE SISTEMA BRITÁNICO Pulgada (pulg.) Pie
Metro (m) Milímetro (mm)
ÁREA
Pulgada cuadrada (pulg2)
Metro cuadrado (m2)
FUERZA
Libra (lb) Kip (K)(1,000lb)
Newton (N) 1N=1kg*m/s2)
MASA
Slug(lb*s2/pie)
Kilogramo (Kg.)
TIEMPO ÁNGULO TEMPERATURA
Segundo (s) Grado(°)
Segundo(s) Radian(rad) o grado(°) Grado Celsius (°C)
CANTIDAD LONGITUD O DISTANCIA
UNIDAD SI
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Grados Fahrenheit (°F)
TORQUE O MOMENTO
Libra-pulgada (lb*pulg)o Libra-píe(lb*pie)
Newton-metro (Nm)
ENERGÍA, POTENCIA O TRABAJO
Libra-pulgada(lb*pulg)
Joule (1J=1Nm)
POTENCIA
Caballo de potencia(hp) (1hp=550 lb*pie/s)
Watt(W) o kilowatts (kW) (1W=1J/s=1Nm/s)
TENSIÓN, PRESIÓN, MÓDULO DE ELASTICIDAD MÓDULO DE ELASTICIDAD
Libras por pulgada Pascal(Pa)(1kpa=103a) cuadrada Kilopascal(kPa)(1kPa=103Pa) (lb/pulg2 o psi) Megapascal (Mpa)(1Mpa=106 kips por pulgada cuadrada Pa) 2 (K/pulg o ksi) Gigapascal(Gpa)(1Gpa=109Pa) Pulgadas cúbicas(pulg
3)
Metros cúbicos(m3) o milímetros cúbicos (mm3) Metros a la cuarta potencia(m4) O milímetros a la cuarta(mm 4)
Pulgadas a la cuarta potencia (pulg4) Revoluciones por VELOCIDAD DE GIRO Radianes por segundo(rad/s) minuto(rpm) 12. INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN
MOMENTO DE INERCIA
Toda tarea mecánica lleva consigo la necesidad de tomar medidas de las piezas y trabajos que se están realizando, por lo que existen un conjunto básico de instrumentos de medida, tales como: • • • • •
Regla metálica Calibrador Escuadra de combinación Micrómetro Instrumentos de medición computarizados
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Figura 5 Toma de medidas.
Regla metálica: Es un utensilio muy común en un taller mecánico (Figura, letra a). Las r eglas metálicas son muy precisas y cuentan con una escala de pulgadas por un lado y una escala métrica por el otro. •
Calibrador: Está el calibrador para exterior que se usa para apreciar el tamaño nominal de un diámetro externo. Después la medida se lee en una regla (Figura, letras b y c). También sirve para medir una distancia entre orificios de centro a centro (Figura, letra f). Por otro lado esta el calibrador para interior que sirve para evaluar un diámetro interno (Figura, letras d y e) •
Escuadra de combinación: Escuadra combinada con regla de acero milimetrada compuesta por goniómetro o transportador de 180º con nivel, graduado de 0-90º y 900º. Se usa para medir la altura nominal de un objeto (Figura, letra g). •
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•
Vernier o calibrador: Para medidas mas precisas (Figura, letras h e i)
Micrómetro: También llamado calibrador micrométrico (Figura, letra j) sirve para medir las dimensiones de un objeto con alta precisión, del orden de centésimas de milímetros (0,01 mm) y de milésimas de milímetros (0,001mm) •
Instrumentos de medición computarizados: Estos instrumentos han ampliado el grado de exactitud que antes se obtenía. Están el micrómetro y calibrador electrónicos con lectura digital de alta precisión (Figura 6 Y 7). La impresora-grabadora portátil que proporciona un impreso de la medición. Este aparato también calcula y lista los valores estadísticos de las medidas, lo que ayuda al operario de maquinado en el mantenimiento de un alto control de calidad. •
Figura 6 Calibrador electrónico.
Figura 7 Micrómetro electrónico
13. CONCEPTOS DE MASA Y PESO Debemos diferenciar bien los conceptos de masa y peso, así como las unidades en que se miden ya que, mientras que las masas son valores puntuales, los pesos son fuerzas; es decir, las masas son magnitudes escalares y los pesos magnitudes vectoriales. 13.1 DEFINICIÓN DE MASA
La masa es una de las magnitudes fundamentales de la física. De hecho, muchos fenómenos de la naturaleza están, directa o indirectamente, asociados al concepto de masa.
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Un primer acercamiento al concepto de masa se puede expresar al decir que “masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo”. Entender esa afirmación requiere, sin embargo, conocer el concepto de materia. La masa de un cuerpo es una propiedad característica del mismo, que está relacionada con el número y clase de las partículas que lo forman. Se mide en kilogramos (Kg.) y también en gramos, toneladas, libras, onzas. El peso de un cuerpo es la fuerza con que lo atrae la Tierra y depende de la masa del mismo. Un cuerpo de masa el doble que otro, pesa también el doble. Se mide en Newton (N) y también en Kg.-fuerza, dinas, libras-fuerza, onzas-fuerza. El Kg. es por tanto una unidad de masa, no de peso. Sin embargo, muchos aparatos utilizados para medir pesos (básculas, por ejemplo), tienen sus escalas graduadas en Kg. en lugar de Kg.-fuerza. Esto no suele representar, normalmente, ningún problema ya que 1 Kg.-fuerza es el peso en la superficie de la Tierra de un objeto de 1 Kg. de masa. Por lo tanto, una persona de 60 Kg. de masa pesa en la superficie de la Tierra 60 Kg.-Fuerza. Sin embargo, la misma persona en la Luna pesaría sólo 10 Kg.-fuerza, aunque su masa seguiría siendo de 60 Kg. Entonces, la masa no es lo mismo que el peso, que mide la atracción que ejerce la Tierra sobre una masa determinada. 13.2 INSTRUMENTOS PARA MEDIR LA MASA DE UN CUERPO
En cuanto a la cantidad de instrumentos de medición de masa disponibles, el que se erige como el más importante o el más utilizado frecuentemente es la balanza. Se trata de un operador técnico al cual se lo opera sobre una determinada superficie, pero siempre realizando una suerte de asociación entre el peso con la masa que le corresponde. Asimismo, esta herramienta es empleada en aquellos casos en los cuales los kilos de la pesada no resultan ser tan grandes, razón por la cual su uso es más que predominante en los laboratorios y en otras áreas donde se trabaja con sustancias. En cuanto al desarrollo de este instrumento de medición masa en cuestión, con el paso del tiempo se ha pasado de modelos tradicionales que operaban de manera mecánica a modelos mucho más sofisticados, que operaban de modo electrónico y que, por ende, arrojaban lecturas sumamente precisas y directas, más allá del grado de sofisticación del operador en cuestión.
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Figura 8
Ahora bien, la balanza no es bajo ningún punto de vista la única opción con la cual podemos encontrarnos para medir una determinada masa. También está la báscula. Este instrumento de medición de masa se diferencia de aquella, en que en este caso puede soportar grandes pesos y tiene una plataforma ubicada a ras del suelo, lo cual facilita la colocación de la masa destinada a ser pesada. En cuanto a su sistema de operación o de procedimiento, el mismo se basa en un juego de palancas que se activan en el momento en el cual la masa se coloca sobre la plataforma.
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Figura 9
Otros instrumentos destinados para la medición de masas son el espectrómetro y el catarómetro. En el primer caso, se trata de una herramienta que permite que se estudie con asombrosa precisión la composición de los elementos químicos, así como también de los isótopos atómicos. Lo que realiza este elemento es una separación de los núcleos atómicos, pero siempre teniendo como referencia la relación de la masa con la carga. Por último, otro instrumento de medición de masa es el catarómetro. Se trata de un dispositivo que se emplea para determinar la composición de una específica mezcla de gas. En cuanto a su constitución, el elemento tiene dos tubos paralelos, donde el gas es contenido, en especial en las bobinas de calefacción. Lo que ocurre es que los gases se examinan, al tiempo que se compara el radio de fuga de calor proveniente de las bobinas en el gas mismo. Las bobinas, por su parte, están dispuestas en el interior de un circuito con forma de puente, el cual es sumamente resistente a todos los cambios de temperatura.
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13.3 DEFINICIÓN DE PESO
En física, el peso de un cuerpo es una magnitud vectorial, el cual se define como la fuerza con la cual un cuerpo actúa sobre un punto de apoyo, a causa de la atracción de este cuerpo por la fuerza de la gravedad. La situación más corriente, es la del peso de los cuerpos en las proximidades de la superficie de un planeta como la Tierra, o de un satélite. El peso de un cuerpo depende de la intensidad del campo gravitatorio y de la masa del cuerpo. En las proximidades de la Tierra, todos los objetos materiales son atraídos por el campo gravitatorio terrestre, estando sometidos a una fuerza (peso en el caso de que estén sobre un punto de apoyo) que les imprime un movimiento acelerado, a menos que otras fuerzas actúen sobre el cuerpo. 13.4 INSTRUMENTOS PARA MEDIR EL PESO DE UN CUERPO
En la industria metalúrgica, por ejemplo, se utilizan muchísimas variedades de instrumentos de medición de peso, los cuales cumplen un rol fundamental en tareas tales como la fabricación de componentes o de equipos y maquinarias de importantes tamaños. Uno de estos instrumentos es el calibrador universal, también conocido con el nombre de pie de rey. Se trata de una herramienta sumamente valiosa a la hora de medir con precisión los elementos pequeños como objetos diminutos, tornillos, entre muchos otros. En lo que respecta a su nivel de precisión, este elemento puede llegar incluso a la media décima de milímetro, aunque por lo general su precisión esté fija en la décima. Cuando se quieren efectuar mediciones exteriores se emplean dos patas largas, mientras que para la medición de espacios interiores se utilizan las patas más pequeñas. El calibre de profundidad, por su parte, es un instrumento muy similar al pie de rey, aunque cuenta con unos apoyos que le facilitan la medición de agujeros y otras zonas profundas.
Figura 10
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14. CONCEPTOS DE DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO 14.1 DENSIDAD
Una de las propiedades de los sólidos, así como de los líquidos e incluso de los gases es la medida del grado de compactación de un material: su densidad. La densidad es la medida de cuánta masa hay contenida en una unidad de volumen (densidad = masa/volumen). Usualmente se representa como Kg/m 3. Puesto de manera sencilla, si la masa es la medida de cuánto material tiene un objeto, entonces la densidad es la medida de cuán compactado está ese material. La propiedad que nos permite medir la ligereza o pesadez de una sustancia recibe el nombre de densidad. Cuanto mayor sea la densidad de un cuerpo, más pesado nos parecerá.
La densidad se define como el cociente entre la masa de un cuerpo y el volumen que ocupa. Así, como en el SI la masa se mide en kilogramos (Kg.) y el volumen en metros cúbicos (m3) la densidad se medirá en kilogramos por metro cúbico (Kg/m3). Esta unidad de medida, sin embargo, es muy poco usada, ya que es demasiado pequeña. Una de las maneras cotidianas para ilustrar a la densidad, es a través de la observación de cualquier cosa que flote o se hunda en un líquido determinado, (por ejemplo, agua). Si un objeto es menos denso que el líquido en donde se encuentra, entonces flotará. Pero si es más denso, se hundirá. Por eso es que un ancla, la cual es muy densa (con gran cantidad de masa en poco volumen), se hunde tan rápidamente; mientras que un tubo plástico (poca masa y gran volumen), flota y le cuesta hundirse en el agua.
14.2 PESO ESPECÍFICO
El peso específico es una magnitud muy parecida a la densidad. La única variación es que, mientras que la densidad mide la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen, el peso específico mide la relación entre el peso de un cuerpo y el volumen que ocupa ese mismo cuerpo.
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Donde: = peso específico = es el peso de la sustancia = es el volumen que la sustancia ocupa = es la densidad de la sustancia = es la aceleración de la gravedad En el Sistema Técnico, se mide en kilopondios por metro cúbico (kp/m³). En el Sistema Internacional de Unidades, en newton por metro cúbico (N/m³); es decir, el newton (Unidad de fuerza y, por tanto, de peso) entre el m3 (Unidad de volumen). El peso específico puede ser absoluto o relativo: el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo. El peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua destilada a 4°C.
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PESO ESPECÍFICO DE METALES DE CONSTRUCCIÓN
METALES ACERO ALUMINIO BRONCE COBRE ESTAÑO LATÓN PLOMO ZINC
PESO ESPECÍFICO APARENTE Kg/m3 7.850 2.700 8.500 8.900 7.400 8.500 11.400 7.200
15. LOS METALES
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A la hora de elegir un material en el diseño, fabricación o construcción de un objeto mecánico, la preocupación esencial debe ser la de acomodar las características de aquél a las condiciones de trabajo de la pieza. Debemos saber qué propiedades (físicas, químicas, tecnológicas o mecánicas) han de tomarse en cuenta, cómo determinarlas y qué límites y servidumbres deben imponerse a su aplicación. El perfeccionamiento técnico alcanzado en estos últimos años exige materiales que resistan las duras condiciones de servicio que se les impone. Ello requiere un control riguroso y frecuente de los mismos, tanto para mantener la calidad como para introducir mejoras en los procesos de fabricación, lo que se traduce en una mayor seguridad y economía en la producción. Los metales son materiales con múltiples aplicaciones que ocupan un lugar destacado en nuestra sociedad. Se conoce y utiliza desde nuestros tiempos prehistóricos y en la actualidad constituyen una pieza clave prácticamente en todas las actividades económicas.
Figura 11 Metales
16. PROPIEDADES DE LOS METALES
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Los elementos de máquinas se fabrican, a menudo, con uno de los metales o aleaciones metálicas como el acero, aluminio, hierro colado, zinc, titanio o bronce. Pero existen importantes propiedades en estos materiales que afectan al diseño mecánico. Por lo regular, las propiedades de resistencia, elasticidad y ductilidad de los metales, se suelen determinar con una prueba de tensión, en donde una muestra del material, casi siempre con forma de barra redonda y plana, se sujeta entre mordazas y se tensa lentamente, hasta que se rompe por la tensión. Durante la prueba, se monitorea y registra la magnitud de la fuerza ejercida sobre la barra y el cambio correspondiente de longitud (deformación). Las propiedades de los metales se clasifican en físicas, mecánicas y tecnológicas. 16.1 PROPIEDADES MECÁNICAS
Son aquellas que expresan el comportamiento de los metales frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma.
Resistencia: Capacidad de soportar una carga externa si el metal debe soportarla sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos.
Dureza: Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que sufre un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers.
Elasticidad: Capacidad de un material elástico para recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico, se expresa en Kg/mm².
Plasticidad: Capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse.
Tenacidad: Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad.
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Fragilidad: Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico.
Resiliencia: Resistencia de un metal a su rotura por choque, se determina en el ensayo Charpy.
Fluencia: Propiedad de algunos metales de deformarse lenta y espontáneamente bajo la acción de su propio peso o de cargas muy pequeñas. Esta deformación lenta, se denomina también creep.
Fatiga: Si se somete una pieza a la acción de cargas periódicas (alternativas o intermitentes), se puede llegar a producir su rotura con cargas menores a las que producirían deformaciones.
16.2 PROPIEDADES FÍSICAS
Las propiedades físicas dependen del tipo de aleación y las más importantes son:
Peso específico: El peso específico puede ser absoluto o relativo: el primero es el peso de la unidad de volumen de un cuerpo homogéneo. El peso específico relativo es la relación entre el peso de un cuerpo y el peso de igual volumen de una sustancia tomada como referencia; para los sólidos y líquidos se toma como referencia el agua destilada a 4°C.
Calor específico: Es la cantidad de calor necesaria para elevar en 1°C la temperatura de 1 kg de determinada sustancia. El calor específico varía con la temperatura. En la práctica se considera el calor específico medio en un intervalo de temperaturas.
Punto de fusión: Es la temperatura a la cual un material pasa del estado sólido al líquido, transformación que se produce con absorción de calor. El punto de solidificación es la temperatura a la cual un líquido pasa al estado sólido, durante la transformación hay cesión de calor. Casi siempre coinciden los puntos de fusión y de solidificación.
Calor latente de fusión: Es el calor necesario para vencer las fuerzas moleculares del material (a la temperatura de fusión) y transformarlo de sólido en líquido.
Resistencia a la corrosión: La corrosión de los metales puede originarse por: · Reacciones químicas con los agentes corrosivos · Reacciones electroquímicas producidas por corrientes electrolíticas generadas en elementos galvánicos formados en la superficie con distinto potencial. Las corrientes electrolíticas se producen con desplazamiento de iones metálicos.
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La corrosión electrolítica puede producirse por: · Heterogeneidad de la estructura cristalina · Tensiones internas producidas por deformación en frío o tratamientos térmicos mal efectuados. · Diferencia en la ventilación externa La protección de los metales contra la corrosión puede hacerse por: · Adición de elementos especiales que favorecen la resistencia a la corrosión. · Revestimientos metálicos resistentes a la corrosión · Revestimientos con láminas de resinas sintéticas o polímeros. 16.3 PROPIEDADES TECNOLÓGICAS
Determina la capacidad de un metal a ser conformado en piezas o partes útiles o aprovechables. Estas son:
Ductilidad: Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío; aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales más dúctiles son el oro, lata, cobre, hierro, plomo y aluminio.
Fusibilidad: Es la propiedad que permite obtener piezas fundidas o coladas.
Colabilidad: Es la capacidad de un metal fundido para producir piezas fundidas completas y sin defectos. Para que un metal sea colable debe poseer gran fluidez para poder llenar completamente el molde. Los metales más fusibles y colables son la fundición de hierro, de bronce, de latón y de aleaciones ligeras.
Soldabilidad: Es la aptitud de un metal para soldarse con otro idéntico bajo presión ejercida sobre ambos en caliente. Poseen esta propiedad los aceros de bajo contenido de carbono.
Endurecimiento por el temple: Es la propiedad del metal de sufrir transformaciones en su estructura cristalina como resultado del calentamiento y enfriamiento sucesivo y por ende de sus propiedades mecánicas y tecnológicas. Los aceros se templan fácilmente debido a la formación de una estructura cristalina característica denominada martensita.
Facilidad de mecanizado: Es la propiedad de un metal de dejarse mecanizar con arranque de viruta, mediante una herramienta cortante apropiada. Son muy mecanizables la fundición gris y el bronce, con virutas cortadas en forma de escamas. El acero dulce y las aleaciones ligeras de alta tenacidad, producen virutas largas.
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17. CLASIFICACIÓN DE MATERIALES La forma más general de clasificar los materiales es la siguiente: 1. Metálicos: ferrosos y no ferrosos 2. No metálicos: orgánicos e inorgánicos 17.1 MATERIALES METÁLICOS 17.1.1 Metales ferrosos:
Se denominan metales ferrosos o férricos a aquellos que contienen como elemento base el hierro; pueden llevar posteriormente pequeñas proporciones de otros elementos. Sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Los metales ferrosos son el acero (a), el hierro (b) y las fundiciones (c).
a)
b)
c)
Figura 12 a) Acero, b) hierro, c) fundiciones
Hierro puro Acero Fundiciones
Contenido en carbono 0.008% - 0.03% 0.03 % - 1.76 % 1.76 % - 6.67 %
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a) El acero: Es posible que el acero sea el material más usado en los elementos de máquinas por sus propiedades de gran resistencia, gran rigidez, durabilidad y facilidad relativa de fabricación. El término acero indica una aleación de hierro, carbono, manganeso y uno o más elementos importantes. El carbón tiene un gran efecto sobre la resistencia, dureza y ductilidad de cualquier aleación de acero. Los demás elementos afectan la capacidad de templabilidad, tenacidad, resistencia a la corrosión, maquinabilidad y conservación de la resistencia a altas temperaturas. Los elementos de aleación principales contenidos en los diversos aceros son el azufre, fósforo, silicio, níquel, cromo, molibdeno y vanadio.
Propiedades de acero o o o o
Resistencia a comprensión y tracción. Dureza Resistencia al desgaste Ductilidad
Las propiedades del acero se pueden mejorar con la adición de elementos aleantes.
b) El hierro: Los metales ferrosos son los derivados de hierro. El hierro es muy abundante en la naturaleza (forma parte del núcleo de la corteza terrestre) y es el metal más utilizado. El hierro se encuentra en diferentes minerales: pirita, hematites, siderita. Estos minerales suelen estar formados por un compuesto llamado óxido, por lo tanto no es el único componente, sino que este se encuentra combinado con oxígeno y otras impurezas.
Propiedades del hierro • • • • •
•
Presenta un color blanco Muy abundante en la tierra, pocas veces aparece en estado puro Tiene una gran densidad Es un material magnético Cuando entra en contacto con el aire, se forma en su superficie una capa de óxido, razón por la cual no puede utilizarse sin protección superficial. Tiene una conductividad eléctrica baja.
c) La fundición: Se llama fundición a aquellas aleaciones de hierro y carbono, el porcentaje se encuentra entre el 2% y el 6%.
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Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para la realización de bloques, bancadas de máquinas, herramientas, soportes, bloques de motores, cuerpos de bombas etc. Las fundiciones no son buenas conductoras de la electricidad y el calor.
Propiedades de las fundiciones • • • • • •
Buena resistencia a la comprensión Baja resistencia a la tracción Resistencia a las vibraciones Fragilidad Moldeabilidad en caliente Resistencia al desgaste.
17.1.2 Metales no ferrosos:
Los metales no ferrosos son los que su principal composición no es el hierro. Se dividen en tres grandes grupos:
Ligeros: aluminio, titanio Ultraligeros: magnesio. Pesados: cobre, plomo, estaño, zinc
Características:
Se pueden moldear y mecanizar fácilmente. Poseen una resistencia mecánica elevada en relación a su peso. Algunos tienen una gran conductividad térmica y eléctrica. Presentan un buen acabado superficial, que en ocasiones los hace útiles como elementos decorativos.
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20. CONCLUSIONES
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CONCLUSIÓN TÉCNICA
El control de las dimensiones de una pieza es parte fundamental de cualquier proceso mecánico, ya que nos permite verificar tanto la forma como las dimensiones de la pieza real con respecto a la pieza proyectada en el plano. Solo a partir de los datos obtenidos se puede evitar posibles errores, tomando en cuenta la rigurosidad del trabajo mecánico donde los errores no pueden suceder ni al nivel de una micra. También la función de este procedimiento es perfeccionar la pieza o mecanismo para reducir costos a la vez de mantener o mejorar su funcionamiento Gracias al control dimensional podemos intercambiar piezas en caso de que haga falta sustituirlas por razones de mantenimiento o reparación, permitiéndonos de esta forma abaratar costos y el control de calidad de las piezas.
CONCLUSIÓN ACADÉMICA
La cubicación es una manera de obtener las dimensiones y el peso de un elemento, para poder ser llevado a un análisis el cual será efectuado en los procesos de producción, están directamente relacionadas con la calidad final de los elementos mecánicos y con la productividad que se le quiera dar al producto. Tanto las mediciones geométricas como las cualidades de cada material, serán los factores a seguir al momento de realizarse la cubicación, es que son estas características esenciales que deben ser comprobadas al igual que el comportamiento funcional y el rendimiento de cada pieza por separado.
CONCLUSIÓN PERSONAL
El tema de la cubicación esta lamentablemente enfocado en primera instancia al área de la arquitectura y construcción, no obstante siendo este concepto igual de importante para lo que concierne a la ingeniería mecánica. Es muy importante considerar que la cubicación en piezas mecánicas forma parte de un trabajo que requiere total dedicación, ya que como estas piezas por lo general van acopladas a otras y la mayoría de las veces están en constantes esfuerzos, cualquier deformidad o error de cálculo puede provocar una falla en el sistema al que se acopló lo que impedirá el buen funcionamiento del mecanismo y demostrará una ineficiente mano de obra lo que puede trascender a múltiples efectos negativos.
21. BIBLIOGRAFÍA
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ENCICLOPEDIA MODERNA. DICCIONARIO UNIVERSAL DE LITERATURA, CIENCIAS, ARTES. TOMO 11 Autor: Francisco de Paula Mellado
DIBUJO TÉCNICO. Autores: H.C. Spencer, J.Dygdon y J.Novak Año: 2003 7ª Edición.
DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS. Autor: Robert L. Mott 4ª Edición.
MATERIALES Y PROCESOS DE FABRICACIÓN. Autor: E.P. Desarmo, J.T. Black y R.A. Kohser Editorial Reverté, S.A. 2ª Edición.
MANUAL PARA LA FORMACIÓN DE OPERADORES DE GRÚA TORRE. Autor: Miguel Ángel Menéndez González Año: 2006
DISEÑO ELEMENTOS DE MAQUINA, segunda edición. Autor: L.Montt
ELEMENTOS DE MAQUINAS Autor: V.Dobrovolski; K.zablonki, S.Mark
UTILAJES MECÁNICOS Y FABRICACIÓN EN SERIE Editorial: Hoepli
INGENIERÍA DE HERRAMIENTAS Autor: Manuel M.
TECNOLOGÍA MECÁNICA, TOMO 1 Editorial: Buenos Aires
22. LINKOGRAFÍA
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